DE102021209656B3 - Thermoelectric element, thermoelectric generator and method for their manufacture - Google Patents

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Abstract

Thermoelektrisches Element, umfassend ein dielektrisches Substrat mit einem Loch, ein erstes Metallisierungspad und ein zweites Metallisierungspad auf einer ersten Seite des dielektrischen Substrats, ein drittes Metallisierungspad und ein viertes Metallisierungspad auf einer zweiten Seite des dielektrischen Substrats, wobei eine erste thermoelektrische Schicht in direktem Kontakt mit dem ersten Metallisierungspad und dem zweiten Metallisierungspad steht, eine zweite thermoelektrische Schicht, die in direktem Kontakt mit dem dritten Metallisierungspad und dem vierten Metallisierungspad steht, wobei die erste thermoelektrische Schicht und die zweite thermoelektrische Schicht unterschiedliche Leitfähigkeitstypen aufweisen, einander in dem Loch kontaktieren und dadurch einen p-n-Übergang bilden.A thermoelectric element comprising a dielectric substrate having a hole, a first metallization pad and a second metallization pad on a first side of the dielectric substrate, a third metallization pad and a fourth metallization pad on a second side of the dielectric substrate, wherein a first thermoelectric layer is in direct contact with the first metallization pad and the second metallization pad, a second thermoelectric layer, which is in direct contact with the third metallization pad and the fourth metallization pad, wherein the first thermoelectric layer and the second thermoelectric layer have different conductivity types, contact each other in the hole and thereby a form p-n junction.

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf thermoelektrische Elemente und Peltier-Elemente. Bei diesen Elementen werden einzelne Schichten aus thermoelektrischen Materialien oder p-n-Übergänge verwendet. Die Erfindung bezieht sich ferner auf thermoelektrische Generatoren, die die thermoelektrischen Elemente verwenden, Peltier-Kühler, die die Peltier-Elemente verwenden, und Verfahren zur Herstellung der thermoelektrischen Elemente und Generatoren, der Peltier-Elemente und Peltier-Kühler.The present invention relates to thermoelectric elements and Peltier elements. These elements use single layers of thermoelectric materials or p-n junctions. The invention further relates to thermoelectric generators using the thermoelectric elements, Peltier coolers using the Peltier elements, and methods of manufacturing the thermoelectric elements and generators, the Peltier elements and Peltier coolers.

Hintergrundbackground

Ein thermoelektrisches Element mit einem p-n-Übergang ist aus EP 1 287 566 B1 bekannt. In diesem thermoelektrischen Element wird ein höherer Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen thermoelektrischen Elementen erreicht. In dem in EP 1 287 566 B1 offenbarten thermoelektrischen Element ist der p-n-Übergang im Wesentlichen über die gesamte Erstreckung der n- und p-Schicht ausgebildet, wodurch ein Temperaturgradient entlang der p-n-Übergangsfläche angelegt wird. Dies führt zu einer Temperaturdifferenz entlang dieses langgestreckten p-n-Übergangs zwischen zwei Enden des p-n-Schichtstapels. Das thermoelektrische Element wird selektiv an den n- und p-Schichten kontaktiert. Dies kann entweder durch Legieren der Kontakte und der zugehörigen p-n-Übergänge oder durch direkte Kontaktierung der n- und p-Schicht erfolgen. Um mehrere thermoelektrische Elemente zu einem Generator zusammenzuschalten, werden sie durch gekreuzte Leitungen in Reihe geschaltet. Thermisch werden die einzelnen thermoelektrischen Elemente des Generators parallel geschaltet.A thermoelectric element with a pn junction is off EP 1 287 566 B1 known. A higher efficiency is achieved in this thermoelectric element compared to conventional thermoelectric elements. in the in EP 1 287 566 B1 disclosed thermoelectric element, the pn junction is formed substantially over the entire extent of the n and p layers, whereby a temperature gradient is applied along the pn junction surface. This leads to a temperature difference along this elongated pn junction between two ends of the pn layer stack. The thermoelectric element is contacted selectively at the n and p layers. This can be done either by alloying the contacts and the associated pn junctions or by directly contacting the n and p layers. In order to connect several thermoelectric elements to form a generator, they are connected in series using crossed lines. Thermally, the individual thermoelectric elements of the generator are connected in parallel.

Kurzdarstellungabstract

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die technische Aufgabe der Erfindung, ein thermoelektrisches Element und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu entwickeln, wobei das thermoelektrische Element unter Verwendung industrialisierter Prozesse kostengünstig herstellbar ist. Das thermoelektrische Element ist für die Reihenschaltung in einem thermoelektrischen Generator geeignet. Die technische Aufgabe der Erfindung besteht ferner darin, einen solchen Generator und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu entwickeln. Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen angegeben. Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Proceeding from this state of the art, it is the technical object of the invention to develop a thermoelectric element and a method for its production, the thermoelectric element being able to be produced inexpensively using industrialized processes. The thermoelectric element is suitable for series connection in a thermoelectric generator. The technical task of the invention is also to develop such a generator and a method for its manufacture. Aspects of the present invention are set out in the independent claims. Embodiments are given in the dependent claims.

Die Lösung basiert auf der Idee der Verwendung eines dielektrischen Substrats mit einem Loch. Die thermoelektrischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen sind auf gegenüberliegenden Seiten des dielektrischen Substrats angeordnet und berühren sich in dem Loch, wodurch ein p-n-Übergang gebildet wird. Diese Gestaltung macht die Verwendung zusätzlicher dielektrischer Schichten überflüssig, wie es beim planaren Prozess in der Halbleiterindustrie üblich ist. Darüber hinaus reduziert das Loch einen parasitären Wärmefluss über das Substrat, wie es in thermoelektrischen Elementen, die Substrate verwenden, üblich ist.The solution is based on the idea of using a dielectric substrate with a hole. The thermoelectric layers of different conductivity types are arranged on opposite sides of the dielectric substrate and touch in the hole, forming a p-n junction. This design eliminates the need for additional dielectric layers, as is common with the planar process in the semiconductor industry. In addition, the hole reduces parasitic heat flow across the substrate, as is common in thermoelectric elements using substrates.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ist die Verwendung des thermoelektrischen Elements mit einem p-n-Übergang als Peltier-Kühler oder als Element eines Peltier-Kühlers, der eine Reihe solcher Elemente verwendet. In diesem Fall wird eine Spannung an den p-n-Übergang angelegt, so dass der p-n-Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist. In einem solchen Peltier-Kühler können dieselben thermoelektrischen Schichten wie bei der thermoelektrischen Stromerzeugung verwendet werden. Darüber hinaus können in einem solchen Peltier-Kühler auch Halbleiterschichten unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen verwendet werden, die für die thermoelektrische Stromerzeugung nicht geeignet sind.A further application of the invention is the use of the thermoelectric element with a p-n junction as a Peltier cooler or as an element of a Peltier cooler using a number of such elements. In this case, a voltage is applied across the p-n junction so that the p-n junction is reverse-biased. In such a Peltier cooler, the same thermoelectric layers can be used as in thermoelectric power generation. In addition, in such a Peltier cooler, semiconductor layers of different conductivity types can also be used, which are not suitable for generating thermoelectric current.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee kann für thermoelektrische Elemente und Peltier-Kühlerelemente, die Einzelschichten aus thermoelektrischen Materialien verwenden, angepasst werden. Wie aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervorgeht, kann eine der thermoelektrischen Schichten in dem thermoelektrischen Element weggelassen werden. Das Loch im dielektrischen Substrat eines solchen thermoelektrischen Elements hat die gleiche vorteilhafte Wirkung wie bei einem thermoelektrischen Element mit p-n-Übergang.The idea on which the invention is based can be adapted for thermoelectric elements and Peltier cooler elements that use individual layers of thermoelectric materials. As will become apparent from the detailed description below, one of the thermoelectric layers in the thermoelectric element can be omitted. The hole in the dielectric substrate of such a thermoelectric element has the same beneficial effect as that of a p-n junction thermoelectric element.

Figurenlistecharacter list

  • 1 zeigt ein thermoelektrisches Element und seinen Querschnitt. 1 shows a thermoelectric element and its cross-section.
  • 2 zeigt ein anderes thermoelektrisches Element und dessen Querschnitt. 2 shows another thermoelectric element and its cross-section.
  • 3 - 6 zeigen Querschnitte von zentralen Teilen thermoelektrischer Elemente. 3 - 6 show cross sections of central parts of thermoelectric elements.
  • 7 - 10 zeigen zentrale Teile von dielektrischen Substraten mit Metallisierungspads. 7 - 10 show central parts of dielectric substrates with metallization pads.
  • 11 zeigt einen thermoelektrischen Generator. 11 shows a thermoelectric generator.
  • 12 und 13 zeigen Querschnitte des thermoelektrischen Generators. 12 and 13 show cross sections of the thermoelectric generator.
  • 14 zeigt einen anderen thermoelektrischen Generator. 14 shows another thermoelectric generator.
  • 15 und 16 zeigen Querschnitte des anderen thermoelektrischen Generators. 15 and 16 show cross sections of the other thermoelectric generator.
  • 17 - 24 zeigen Schritte von Verfahren zur Herstellung thermoelektrischer Elemente. 17 - 24 show steps of methods for manufacturing thermoelectric elements.
  • 25 zeigt einen Querschnitt eines thermoelektrischen Elements. 25 shows a cross section of a thermoelectric element.
  • 26 und 27 zeigen die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines thermoelektrischen Elements. 26 and 27 show the steps of a method for manufacturing a thermoelectric element.

Die Achsenrichtungen X, Y, Z sind in allen Figuren gleich.The axis directions X, Y, Z are the same in all figures.

Beschreibungdescription

Lediglich der Einfachheit halber werden in diesem Kapitel Aspekte der Erfindung im Zusammenhang mit thermoelektrischen Elementen und Generatoren beschrieben, die p-n-Übergänge verwenden. Weitere Aspekte der Erfindung im Zusammenhang mit Peltier-Kühlern und thermoelektrischen Elementen, die einzelne thermoelektrische Schichten verwenden, werden im nächsten Kapitel beschrieben.For the sake of simplicity only, aspects of the invention will be described in the context of thermoelectric elements and generators using p-n junctions in this chapter. Further aspects of the invention related to Peltier coolers and thermoelectric elements using individual thermoelectric layers are described in the next chapter.

Gleich nummerierte Elemente in den 1 - 24 sind entweder gleichwertige Elemente oder Elemente, die dieselbe Funktion erfüllen. Elemente, die bereits zuvor beschrieben wurden, müssen nicht unbedingt auch in den nachfolgenden Figuren beschrieben werden, wenn die Funktion gleichwertig ist.Equally numbered elements in the 1 - 24 are either equivalent elements or elements that perform the same function. Elements previously described may not necessarily also be described in subsequent figures where the function is equivalent.

1 zeigt ein thermoelektrisches Element 10 und dessen Querschnitt. Das thermoelektrische Element umfasst ein dielektrisches Substrat 100 mit Metallisierungspads 111-114. Das dielektrische Substrat weist ein Loch 120 auf. Das Loch hat eine erste Öffnung auf der ersten Seite des dielektrischen Substrats und eine zweite Öffnung auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrats. Ein erstes Metallisierungspad 111 und ein zweites Metallisierungspad 112 befinden sich auf der ersten Seite des dielektrischen Substrats. Ein drittes Metallisierungspad 113 und ein viertes Metallisierungspad 114 befinden sich auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrats. Die erste Öffnung des Lochs befindet sich zwischen dem ersten Metallisierungspad 111 und dem zweiten Metallisierungspad 112. Die zweite Öffnung des Lochs befindet sich zwischen dem dritten Metallisierungspad 113 und dem vierten Metallisierungspad 114. Das thermoelektrische Element umfasst ferner eine erste thermoelektrische Schicht 101 auf seiner ersten Seite und eine zweite thermoelektrische Schicht 102 auf seiner zweiten Seite. Die erste thermoelektrische Schicht 101 steht in direktem Kontakt mit dem ersten Metallisierungspad 111 und dem zweiten Metallisierungspad 112. Die zweite thermoelektrische Schicht 102 steht in direktem Kontakt mit dem dritten Metallisierungspad 113 und dem vierten Metallisierungspad 114. Die erste thermoelektrische Schicht 101 und die zweite thermoelektrische Schicht 102 haben unterschiedliche Leitfähigkeitstypen. Die erste thermoelektrische Schicht kann eine p-Typ-Leitfähigkeit und die zweite thermoelektrische Schicht eine n-Typ-Leitfähigkeit aufweisen, oder umgekehrt. Die erste thermoelektrische Schicht 101 und die zweite thermoelektrische Schicht 102 berühren sich in dem Loch 120 und bilden so einen p-n-Übergang. Das erste Metallisierungspad 111 liegt dem dritten Metallisierungspad 113 gegenüber und ist von diesem durch das dielektrische Substrat 100 getrennt. Das zweite Metallisierungspad 112 liegt dem vierten Metallisierungspad 114 gegenüber und ist von diesem durch das dielektrische Substrat 100 getrennt. Die Metallisierungspads 111 - 114 wären voneinander galvanisch isoliert, wenn die thermoelektrischen Schichten 101 und 102 nicht vorhanden wären. Mit anderen Worten: Die Metallisierungspads 111 und 112 sind über die erste thermoelektrische Schicht 101 galvanisch miteinander verbunden, die Metallisierungspads 113 und 114 sind über die zweite thermoelektrische Schicht 102 galvanisch miteinander verbunden, und die Metallisierungspads (z. B. 111 und 113) auf verschiedenen Seiten des dielektrischen Substrats sind über die erste und die zweite thermoelektrische Schicht galvanisch miteinander verbunden. 1 shows a thermoelectric element 10 and its cross section. The thermoelectric element includes a dielectric substrate 100 with metallization pads 111-114. The dielectric substrate has a hole 120 therein. The hole has a first opening on the first side of the dielectric substrate and a second opening on the second side of the dielectric substrate. A first metallization pad 111 and a second metallization pad 112 are located on the first side of the dielectric substrate. A third metallization pad 113 and a fourth metallization pad 114 are located on the second side of the dielectric substrate. The first opening of the hole is between the first metallization pad 111 and the second metallization pad 112. The second opening of the hole is between the third metallization pad 113 and the fourth metallization pad 114. The thermoelectric element further comprises a first thermoelectric layer 101 on its first side and a second thermoelectric layer 102 on its second side. The first thermoelectric layer 101 is in direct contact with the first metallization pad 111 and the second metallization pad 112. The second thermoelectric layer 102 is in direct contact with the third metallization pad 113 and the fourth metallization pad 114. The first thermoelectric layer 101 and the second thermoelectric layer 102 have different conductivity types. The first thermoelectric layer can have p-type conductivity and the second thermoelectric layer can have n-type conductivity, or vice versa. The first thermoelectric layer 101 and the second thermoelectric layer 102 touch in the hole 120 and thus form a pn junction. The first metallization pad 111 faces the third metallization pad 113 and is separated therefrom by the dielectric substrate 100 . The second metallization pad 112 faces the fourth metallization pad 114 and is separated therefrom by the dielectric substrate 100 . The metallization pads 111-114 would be galvanically isolated from one another if the thermoelectric layers 101 and 102 were not present. In other words, the metallization pads 111 and 112 are galvanically connected to each other via the first thermoelectric layer 101, the metallization pads 113 and 114 are galvanically connected to each other via the second thermoelectric layer 102, and the metallization pads (e.g. 111 and 113) on different ones Sides of the dielectric substrate are galvanically connected to each other via the first and second thermoelectric layers.

Das erste Metallisierungspad 111 und das dritte Metallisierungspad 113 sind für die thermische Kopplung mit einem Kühlkörper vorgesehen. Das zweite Metallisierungspad 112 und das vierte Metallisierungspad 114 sind für die thermische Kopplung mit einer Wärmequelle vorgesehen. Die thermische Kopplung kann durch Verwendung von Teilen der Metallisierungspads 111 - 114 erfolgen, wobei diese Teile vorzugsweise frei von den thermoelektrischen Schichten 101 und 102 sind. Im Betrieb wird ein thermischer Gradient zwischen einem Paar aus dem ersten Metallisierungspad 111 und dem dritten Metallisierungspad 113 und einem Paar aus dem zweiten Metallisierungspad 112 und dem vierten Nutzungspad 114 angelegt. Der thermische Gradient verläuft in der Richtung X in 1. Eine von dem thermoelektrischen Element 10 im Betrieb erzeugte Spannung wird von dem ersten Metallisierungspad 111 und dem dritten Metallisierungspad 113 abgegriffen.The first metallization pad 111 and the third metallization pad 113 are provided for thermal coupling to a heat sink. The second metallization pad 112 and the fourth metallization pad 114 are provided for thermal coupling to a heat source. The thermal coupling can be achieved by using parts of the metallization pads 111-114, which parts are preferably free of the thermoelectric layers 101 and 102. In operation, a thermal gradient is applied between a pair of first metallization pad 111 and third metallization pad 113 and a pair of second metallization pad 112 and fourth utilization pad 114 . The thermal gradient is in the direction X in 1 . A voltage generated by the thermoelectric element 10 during operation is tapped off the first metallization pad 111 and the third metallization pad 113 .

Die Form des Lochs 120 ist so gestaltet, dass ein parasitärer Wärmefluss im Vergleich zu herkömmlichen thermoelektrischen Elementen, die Substrate verwenden, erheblich reduziert wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen thermoelektrischen Elementen, bei denen ein parasitärer Wärmestrom über den gesamten Querschnitt eines Substrats fließt, fließt der parasitäre Wärmestrom lediglich über Teile des dielektrischen Substrats 100, die nicht durch das Loch 120 in Richtung des Wärmegradienten begrenzt sind. sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine Abmessung des Lochs in Y-Richtung mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 80 %, einer Abmessung des dielektrischen Substrats 100 in derselben Richtung beträgt. Die Y-Richtung verläuft orthogonal zum Wärmegradienten und innerhalb einer durch die erste Seite des dielektrischen Substrats 100 definierten Ebene. Die Abschnitte des dielektrischen Substrats, die den parasitären Wärmefluss erzeugen, haben in Y-Richtung die Breiten W2 und W3. Die Summe dieser Breiten ist kleiner als eine Breite W1 des dielektrischen Substrats in Y-Richtung. Vorzugsweise beträgt die Summe der Breiten W2 und W3 weniger als 30 %, vorzugsweise weniger als 20 %, von W1.The shape of the hole 120 is designed to significantly reduce parasitic heat flow compared to conventional thermoelectric elements using substrates. In contrast to conventional thermoelectric elements, in which a parasitic heat flux flows across the entire cross-section of a substrate, the parasitic heat flux flows only over parts of the dielectric substrate 100 that are not through the hole 120 in the direction of the thermal gradient served are limited. are. This can be achieved in that a dimension of the hole in the Y-direction is at least 70%, preferably at least 80%, of a dimension of the dielectric substrate 100 in the same direction. The Y direction is orthogonal to the thermal gradient and within a plane defined by the first side of the dielectric substrate 100 . The portions of the dielectric substrate that generate the parasitic heat flow have Y-direction widths W2 and W3. The sum of these widths is smaller than a Y-directional width W1 of the dielectric substrate. Preferably the sum of the widths W2 and W3 is less than 30%, preferably less than 20% of W1.

Darüber hinaus kann das thermoelektrische Element mindestens ein zusätzliches Metallisierungspad aufweisen, das auf einer gegenüberliegenden Seite des dielektrischen Substrats in Bezug auf eines der Metallisierungspads 111 - 114 angeordnet und thermisch und galvanisch mit dem einen der Metallisierungspads 111 - 114 verbunden ist. In dem in 2 dargestellten Beispiel hat das thermoelektrische Element 20 ein fünftes Metallisierungspad 115 und ein sechstes Metallisierungspad 116 auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrats 100. Das fünfte Metallisierungspad 115 liegt dem ersten Metallisierungspad 111 gegenüber und ist durch das dielektrische Substrat 100 von diesem getrennt. Das fünfte Metallisierungspad 115 ist über eine Metall-Durchkontaktierung 117 thermisch und elektrisch mit dem ersten Metallisierungspad 111 verbunden. Das sechste Metallisierungspad 116 liegt dem zweiten Metallisierungspad 112 gegenüber und ist von diesem durch das dielektrische Substrat 100 getrennt. Das sechste Metallisierungspad 116 ist über eine Metall-Durchkontaktierung 118 thermisch und elektrisch mit dem zweiten Metallisierungspad 112 verbunden. Die Verwendung solcher zusätzlichen Metallisierungspads kann es ermöglichen, thermische Kopplungen und/oder elektrische Verbindungen lediglich von einer Seite des dielektrischen Substrats 100 aus zu implementieren. Das fünfte und sechste Metallisierungspad weisen jeweils einen Abschnitt ohne die zweite thermoelektrische Schicht auf, wobei diese Abschnitte für thermische Kopplungen und/oder elektrische Verbindungen vorgesehen sind. Dies wird im Zusammenhang mit den unten beschriebenen thermoelektrischen Generatoren weiter behandelt.Furthermore, the thermoelectric element can have at least one additional metallization pad, which is arranged on an opposite side of the dielectric substrate with respect to one of the metallization pads 111-114 and is thermally and galvanically connected to the one of the metallization pads 111-114. in the in 2 In the illustrated example, the thermoelectric element 20 has a fifth metallization pad 115 and a sixth metallization pad 116 on the second side of the dielectric substrate 100. The fifth metallization pad 115 faces the first metallization pad 111 and is separated by the dielectric substrate 100 therefrom. The fifth metallization pad 115 is thermally and electrically connected to the first metallization pad 111 via a metal via 117 . The sixth metallization pad 116 faces the second metallization pad 112 and is separated therefrom by the dielectric substrate 100 . The sixth metallization pad 116 is thermally and electrically connected to the second metallization pad 112 via a metal via 118 . The use of such additional metallization pads may allow thermal couplings and/or electrical connections to be implemented from only one side of the dielectric substrate 100 . The fifth and sixth metallization pads each have a section without the second thermoelectric layer, these sections being provided for thermal couplings and/or electrical connections. This is dealt with further in connection with the thermoelectric generators described below.

Thermoelektrische BiTe-Materialien, Metallisierungspads aus vernickeltem Kupfer und dielektrische Kunststoffsubstrate wie Prepreg können in thermoelektrischen Elementen verwendet werden, die in einem Temperaturbereich unter 250 Grad Celsius, vorzugsweise unter 200 Grad Celsius, arbeiten. Thermoelektrische SiGe-Materialien, Metallisierungspads aus Molybdän und dielektrische Substrate aus Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid können in thermoelektrischen Elementen verwendet werden, die in einem Temperaturbereich über 600 Grad Celsius, vorzugsweise über 750 Grad Celsius, arbeiten.BiTe thermoelectric materials, nickel-plated copper metallization pads, and dielectric plastic substrates such as prepreg can be used in thermoelectric elements that operate in a temperature range below 250 degrees Celsius, preferably below 200 degrees Celsius. SiGe thermoelectric materials, molybdenum metallization pads, and alumina or silica dielectric substrates can be used in thermoelectric elements that operate in a temperature range in excess of 600 degrees Celsius, preferably in excess of 750 degrees Celsius.

Die Materialien der thermoelektrischen Schichten 101 und 102 können unterschiedliche elektrische und/oder thermische Leitfähigkeiten aufweisen. Dieser Unterschied kann durch die Verwendung von thermoelektrischen Schichten unterschiedlicher Dicke und/oder die Positionierung der Grenzfläche zwischen den thermoelektrischen Schichten 101 und 102 näher an einer Seite des dielektrischen Substrats als an der anderen Seite ausgeglichen werden. Die thermoelektrische Schicht aus einem Material mit geringerer elektrischer und/oder thermischer Leitfähigkeit kann dicker ausgebildet werden als die andere Schicht. Zusätzlich oder alternativ kann eine Grenzfläche 110 zwischen den thermoelektrischen Schichten 101 und 102 näher an der Seite des Substrats ausgebildet werden, auf der die thermoelektrische Schicht aus einem Material mit geringerer thermischer und/oder elektrischer Leitfähigkeit angeordnet ist.The materials of the thermoelectric layers 101 and 102 can have different electrical and/or thermal conductivities. This difference can be accommodated by using thermoelectric layers of different thicknesses and/or positioning the interface between the thermoelectric layers 101 and 102 closer to one side of the dielectric substrate than to the other side. The thermoelectric layer made of a material with a lower electrical and/or thermal conductivity can be made thicker than the other layer. Additionally or alternatively, an interface 110 between the thermoelectric layers 101 and 102 can be formed closer to the side of the substrate on which the thermoelectric layer made of a material with lower thermal and/or electrical conductivity is arranged.

In einem in 3 dargestellten Beispiel wird davon ausgegangen, dass die zweite thermoelektrische Schicht 102 aus einem Material besteht, das eine geringere thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit aufweist als ein Material der ersten thermoelektrischen Schicht 101. Die Grenzfläche 110 befindet sich näher an der zweiten Seite als an der ersten Seite des dielektrischen Substrats 100. Dadurch ist ein Wärmeleitungspfad über die zweite thermoelektrische Schicht 102 von dem vierten Metallisierungspad 114 zu dem dritten Metallisierungspad 113 kürzer als ein Wärmeleitungspfad über die erste thermoelektrische Schicht von dem zweiten Metallisierungspad 112 zu dem ersten Metallisierungspad 111. Außerdem ist ein elektrischer Leitungspfad über die zweite thermoelektrische Schicht 102 von der Grenzfläche 110 zu dem dritten Metallisierungspad 113 kürzer als ein elektrischer Leitungspfad über die erste Metallisierungsschicht 101 von der Grenzfläche 110 zu dem ersten Metallisierungspad 111.in a 3 illustrated example, it is assumed that the second thermoelectric layer 102 consists of a material that has a lower thermal and/or electrical conductivity than a material of the first thermoelectric layer 101. The interface 110 is closer to the second side than to the first Side of the dielectric substrate 100. As a result, a thermal conduction path via the second thermoelectric layer 102 from the fourth metallization pad 114 to the third metallization pad 113 is shorter than a thermal conduction path via the first thermoelectric layer from the second metallization pad 112 to the first metallization pad 111. In addition, an electrical Conduction path via the second thermoelectric layer 102 from the interface 110 to the third metallization pad 113 is shorter than an electrical conduction path via the first metallization layer 101 from the interface 110 to the first metallization pad 111.

Bei einigen Verfahren (z. B. Sputtern), die zur Abscheidung der thermoelektrischen Schichten 101 und 102 verwendet werden, können Probleme mit der Stufenbedeckung auftreten, bei denen die Dicke eines auf einer im Wesentlichen vertikalen Seitenwand abgeschiedenen Materials geringer ist als die Dicke eines auf einer im Wesentlichen horizontalen Substratoberfläche abgeschiedenen Materials. Im speziellen Fall der in 1 und 2 dargestellten thermoelektrischen Elemente können vertikale Seitenwände der Metallisierungspads 111 - 114 und das Loch 120 zu einer verringerten Dicke der thermoelektrischen Schichten 101 und 102 an diesen vertikalen Seitenwänden führen. Infolgedessen kann die thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit von Teilen der thermoelektrischen Schichten 101 und 102, die die Metallisierungspads 111 - 114 mit dem p-n-Übergang verbinden, verringert werden.Some methods (e.g., sputtering) used to deposit the thermoelectric layers 101 and 102 may encounter step coverage issues where the thickness of a material deposited on a substantially vertical sidewall is less than the thickness of a a substantially horizontal substrate surface deposited material. In the special case of the in 1 and 2 With the thermoelectric elements shown, vertical sidewalls of the metallization pads 111-114 and the hole 120 can lead to a reduced thickness of the thermoelectric layers 101 and 102 on these vertical sidewalls. As a result, can the thermal and/or electrical conductivity of parts of the thermoelectric layers 101 and 102 which connect the metallization pads 111-114 to the pn junction can be reduced.

Dieses Problem kann durch den Einsatz von Metallisierungspads mit abgeschrägten Seitenwänden und/oder durch abgeschrägte Seitenwände des Lochs 120 gelöst werden. Metallisierungspads auf einer Seite des dielektrischen Substrats (z. B. 111 und 112 oder 113 und 114) haben jeweilige Seitenwände, die einander gegenüberliegen und durch die Lochöffnung getrennt sind. Mindestens eine dieser Seitenwände kann derart abgeschrägt sein, dass der Abstand zwischen diesen Seitenwänden in einer Ebene parallel zur Substratoberfläche in einer Richtung weg von der Substratoberfläche zunimmt. Die Seitenwände des Lochs können derart abgeschrägt sein, dass sich in einer Ebene der Grenzfläche 110 zwischen den thermoelektrischen Schichten 101 und 102 ein Hals bildet. Mit anderen Worten: Das Loch ist in beiden Richtungen von der Grenzfläche nach außen abgeschrägt, wenn der Abstand von der Grenzfläche zunimmt. Alternativ kann das Loch lediglich in einer Richtung von der Grenzfläche aus nach außen abgeschrägt sein und in einer anderen Richtung von der Grenzfläche aus vertikale Seitenwände aufweisen. Der Abschrägungswinkel der Seitenwände der Metallisierungspads 111 - 114 und des Lochs 120 kann mindestens 30 Grad betragen. Der Abschrägungswinkel ist definiert als ein Winkel zwischen einer Seitenwand und einer vertikalen Richtung Z, die orthogonal zur Substratoberfläche verläuft. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens eines der Metallisierungspads in einem Abstand von der jeweiligen Lochöffnung angeordnet sein. Dieser Abstand kann zwischen 40% und 80% der Dicke des Metallisierungspads betragen.This problem can be solved by using metallization pads with sloped sidewalls and/or by sloped hole 120 sidewalls. Metallization pads on one side of the dielectric substrate (e.g., 111 and 112 or 113 and 114) have respective sidewalls that face each other and are separated by the via opening. At least one of these sidewalls may be tapered such that the distance between these sidewalls in a plane parallel to the substrate surface increases in a direction away from the substrate surface. The sidewalls of the hole may be tapered such that a neck forms in a plane of the interface 110 between the thermoelectric layers 101 and 102 . In other words, the hole tapers outward in both directions from the interface as the distance from the interface increases. Alternatively, the hole may taper outwardly only in one direction from the interface and have vertical sidewalls in another direction from the interface. The taper angle of the sidewalls of the metallization pads 111-114 and the hole 120 can be at least 30 degrees. The taper angle is defined as an angle between a sidewall and a vertical direction Z, which is orthogonal to the substrate surface. Additionally or alternatively, at least one of the metallization pads can be arranged at a distance from the respective hole opening. This distance can be between 40% and 80% of the thickness of the metallization pad.

In einer genaueren Auslegung kann der Abstand zwischen der Lochöffnung und dem Metallisierungspad wie folgt angegeben werden. Ein Paar Metallisierungspads auf einer Seite des dielektrischen Substrats 100 hat Seitenwände, die einander gegenüberliegen und durch die Lochöffnung auf dieser Seite getrennt sind. Da die Seitenwand abgeschrägt sein kann, wird ihre Kontur in einer Ebene der Substratoberfläche gewählt. Die Lochöffnung folgt mit einem Abschnitt ihrer Kontur eng der Kontur der Seitenwand. Der Begriff „eng folgend“ kann durch den Begriff „kongruent zu“ ersetzt werden, wenn absolute mathematische Genauigkeit erforderlich ist. Der Abstand zwischen der Seitenwand und der Öffnung ist definiert als der Abstand zwischen der Kontur der Seitenwand und dem Abschnitt der Kontur der Lochöffnung.In a more precise interpretation, the distance between the hole opening and the metallization pad can be specified as follows. A pair of metallization pads on one side of the dielectric substrate 100 has sidewalls that face each other and are separated by the hole opening on that side. Since the sidewall can be beveled, its contour is chosen to be in a plane of the substrate surface. The hole opening closely follows the contour of the side wall with a portion of its contour. The term "closely following" can be replaced by the term "congruent to" when absolute mathematical accuracy is required. The distance between the sidewall and the opening is defined as the distance between the contour of the sidewall and the portion of the contour of the hole opening.

Eine verbesserte stufenweise Abdeckung der Seitenwände der Loch- und/oder Metallisierungspads durch die thermoelektrischen Schichten ist in den 3 - 6 schematisch dargestellt. Ein Beispiel für Metallisierungspads 111 -114, die von den Lochöffnungen beabstandet sind, ist in 4 dargestellt. Wie aus dem Vergleich der 1 und 4 ersichtlich ist, sind Teile der thermoelektrischen Schichten 101 und 102 an den Seitenwänden der Metallisierungspads 111 - 114 und des Lochs 120 in 4 dicker. Ein Beispiel für Metallisierungspads 111 - 114 mit abgeschrägten Seitenwänden ist in 5 dargestellt. Wie aus dem Vergleich der 1 und 5 ersichtlich ist, sind Teile der thermoelektrischen Schichten an den abgeschrägten Seitenwänden der Metallisierungspads dicker als die entsprechenden Teile der thermoelektrischen Schichten an den vertikalen Seitenwänden der Metallisierungspads. Ein Beispiel für die Abschrägung der Seitenwände des Lochs 120 ist in 6 dargestellt. Wie aus dem Vergleich der 1 und 6 ersichtlich ist, führt die Abschrägung der Lochseitenwände zu dickeren thermoelektrischen Schichten auf diesen.An improved gradual coverage of the side walls of the hole and / or metallization by the thermoelectric layers is in the 3 - 6 shown schematically. An example of metallization pads 111-114 spaced from the hole openings is in FIG 4 shown. As from the comparison of 1 and 4 As can be seen, parts of the thermoelectric layers 101 and 102 are on the sidewalls of the metallization pads 111 - 114 and the hole 120 in 4 thicker. An example of metallization pads 111 - 114 with beveled sidewalls is in 5 shown. As from the comparison of 1 and 5 As can be seen, portions of the thermoelectric layers on the sloped sidewalls of the metallization pads are thicker than corresponding portions of the thermoelectric layers on the vertical sidewalls of the metallization pads. An example of the chamfering of the sidewalls of hole 120 is shown in FIG 6 shown. As from the comparison of 1 and 6 As can be seen, the taper of the hole sidewalls results in thicker thermoelectric layers on top of them.

Die Maßnahmen wie die Verschiebung der Grenzfläche 110 zu einer der Seiten des dielektrischen Substrats, die Platzierung der Metallisierungspads im Abstand von den jeweiligen Lochöffnungen, die Abschrägung der Seitenwände der Metallisierungspads und die Abschrägung der Lochseitenwände können beliebig kombiniert werden, vorausgesetzt, dass keines der Metallisierungspads 111-114 in direktem Kontakt mit beiden thermoelektrischen Schichten 101 und 102 steht.The measures such as shifting the interface 110 to one of the sides of the dielectric substrate, placing the metallization pads at a distance from the respective hole openings, beveling the side walls of the metallization pads and beveling the hole side walls can be combined in any way, provided that none of the metallization pads 111 -114 is in direct contact with both thermoelectric layers 101 and 102.

Das Loch kann ein Schlitz mit verschiedenen Formen sein, wie ein rechteckiger Schlitz, ein mäanderförmiger Schlitz, ein sägezahnförmiger Schlitz (dreieckiger zahnförmiger Schlitz) oder ein wellenförmiger Schlitz (z. B. ein sinusförmiger oder zykloidaler wellenförmiger Schlitz). Die drei letztgenannten Gestaltungen des Schlitzes sorgen dafür, dass die Länge des Schlitzes im entfalteten Zustand größer ist als die Breite W1 des dielektrischen Substrats ( 1 und 2). Dies kann von Vorteil sein, wenn ein elektrischer Innenwiderstand des thermoelektrischen Elements reduziert werden muss. Der Schlitz jeder dieser Formen kann wie oben beschrieben verjüngte Seitenwände haben. Darüber hinaus ist der Schlitz mit jeder dieser Formen mit den oben beschriebenen Gestaltungen der Metallisierungspads kompatibel. Unabhängig von einer bestimmten Form des Schlitzes ist es bevorzugt, dass er über seine gesamte Länge eine konstante Breite aufweist. Dieses Kriterium kann noch strenger formuliert werden. Abschnitte der Seitenwände des Schlitzes, die an die jeweiligen Metallisierungspads angrenzen und in Bezug auf die Ebene der Grenzfläche 110 seitlich angeordnet sind, sind kongruent.The hole may be a slit of various shapes, such as a rectangular slit, a meandering slit, a sawtooth slit (triangular tooth-shaped slit), or a wavy slit (e.g., a sinusoidal or cycloidal wavy slit). The last three designs of the slit ensure that the length of the slit in the unfolded state is greater than the width W1 of the dielectric substrate ( 1 and 2 ). This can be advantageous if an electrical internal resistance of the thermoelectric element has to be reduced. The slot of any of these shapes can have tapered sidewalls as described above. In addition, the slot of any of these shapes is compatible with the metallization pad designs described above. Regardless of a particular shape of the slot, it is preferred that it has a constant width over its entire length. This criterion can be formulated even more strictly. Portions of the sidewalls of the slot that abut the respective metallization pads and are laterally located with respect to the plane of the interface 110 are congruent.

7 - 10 zeigen beispielhafte Gestaltungen des Lochs 120. Insbesondere zeigen die 7 - 10 zentrale Fragmente des dielektrischen Substrats 100 mit schwarz gefärbten Metallisierungspads, wobei die thermoelektrischen Schichten lediglich zu Illustrationszwecken weggelassen sind. 7 zeigt das Loch 120a, das eine Form eines rechteckigen Schlitzes hat. 8 zeigt das Loch 120b, das eine Form eines mäanderförmigen Schlitzes hat. zeigt das Loch 120c, das eine Form eines sägezahnförmigen Schlitzes hat. zeigt das Loch 120d, das eine Form eines wellenförmigen Schlitzes hat. 7 - 10 12 show example configurations of the hole 120. In particular, FIGS 7 - 10 central fragments of the dielectric substrate 100 with metallization pads colored black, with the thermoelectric layers omitted for illustration purposes only. 7 12 shows the hole 120a, which has a shape of a rectangular slit. 8th Fig. 12 shows the hole 120b having a meandering slit shape. Figure 12 shows the hole 120c, which has a shape of a saw-toothed slit. Fig. 12 shows the hole 120d having a shape of a wavy slit.

Die hier beschriebenen thermoelektrischen Elemente können in einem thermoelektrischen Generator elektrisch in Reihe angeordnet werden, so dass eine Reihenfolge von p-n-Übergängen entsteht, wobei die thermoelektrischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen in der Reihenfolge der p-n-Übergänge abwechselnd angeordnet sind. Folglich ist eine von der Reihenfolge der p-n-Übergänge erzeugte Spannung eine Summe der von den einzelnen thermoelektrischen Elementen erzeugten Spannungen. Die elektrische Reihenschaltung der thermoelektrischen Elemente kann unter Verwendung von Metallisierungspads implementiert werden, die zur thermischen Kopplung mit einem Wärmesenke angeordnet sind. Beispielsweise können die ersten und die dritten Metallisierungspads 111 und 113 der thermoelektrischen Elemente 10 elektrisch in Reihe geschaltet werden, so dass eine abwechselnde Reihenfolge der ersten und der zweiten thermoelektrischen Schichten gebildet wird. Die elektrische Verbindung jedes thermoelektrischen Elements außer dem ersten und dem letzten in Reihe ist wie folgt definiert: ein thermoelektrisches Element weist ein erstes Metallisierungspad auf, das elektrisch mit einem dritten Metallisierungspad eines anderen thermoelektrischen Elements verbunden ist, das unmittelbar nach dem besagten thermoelektrischen Element in Reihe geschaltet ist, und ein drittes Metallisierungspad, das elektrisch mit einem ersten Metallisierungspad eines noch anderen thermoelektrischen Elements verbunden ist, das unmittelbar vor dem besagten thermoelektrischen Element in Reihe geschaltet ist, wobei die elektrischen Verbindungen zwischen den ersten und den dritten Metallisierungspads der benachbarten in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elemente lediglich unter Verwendung von metallischen Leitern implementiert ist. Eine von dem thermoelektrischen Generator im Betrieb erzeugte Spannung kann von einem dritten Metallisierungspad 113 des thermoelektrischen Elements, das das erste in Reihe ist, und einem ersten Metallisierungspad des thermoelektrischen Elements, das das letzte in Reihe ist, abgegriffen werden. Dieser thermoelektrische Generator wird hergestellt, indem die ersten Metallisierungspads mit den dritten Metallisierungspads der thermoelektrischen Elemente elektrisch verbunden werden, so dass eine abwechselnde Reihe der ersten und der zweiten thermoelektrischen Schichten gebildet wird.The thermoelectric elements described herein can be arranged electrically in series in a thermoelectric generator to form a sequence of p-n junctions, with the thermoelectric layers of different conductivity types being arranged alternately in the sequence of the p-n junctions. Consequently, a voltage generated by the order of the p-n junctions is a sum of the voltages generated by the individual thermoelectric elements. The electrical series connection of the thermoelectric elements can be implemented using metallization pads arranged for thermal coupling to a heat sink. For example, the first and the third metallization pads 111 and 113 of the thermoelectric elements 10 can be electrically connected in series, so that an alternating sequence of the first and the second thermoelectric layers is formed. The electrical connection of each thermoelectric element other than the first and last in series is defined as follows: a thermoelectric element has a first metallization pad electrically connected to a third metallization pad of another thermoelectric element immediately after said thermoelectric element in series and a third metallization pad electrically connected to a first metallization pad of yet another thermoelectric element connected in series immediately before said thermoelectric element, the electrical connections between the first and third metallization pads of the adjacent ones being connected in series thermoelectric elements is implemented using only metallic conductors. A voltage generated by the thermoelectric generator during operation can be tapped off from a third metallization pad 113 of the thermoelectric element, which is the first in series, and a first metallization pad of the thermoelectric element, which is the last in series. This thermoelectric generator is fabricated by electrically connecting the first metallization pads to the third metallization pads of the thermoelectric elements to form an alternating series of the first and second thermoelectric layers.

Wenn die thermoelektrischen Elemente 20, die das fünfte Metallisierungspad 115 umfassen, in dem thermoelektrischen Generator verwendet werden, kann das fünfte Metallisierungspad 115 anstelle des ersten Metallisierungspads 111 für die Reihenschaltung der thermoelektrischen Elemente 20 verwendet werden. Die elektrische Verbindung jedes thermoelektrischen Elements außer dem ersten und dem letzten in Reihe ist wie folgt definiert: ein thermoelektrisches Element hat ein fünftes Metallisierungspad, das elektrisch mit einem dritten Metallisierungspad eines anderen thermoelektrischen Elements verbunden ist, das unmittelbar nach dem besagten thermoelektrischen Element in Reihe geschaltet ist, und ein drittes Metallisierungspad, das elektrisch mit einem fünften Metallisierungspad eines noch anderen thermoelektrischen Elements verbunden ist, das unmittelbar vor dem besagten thermoelektrischen Element in Reihe geschaltet ist, wobei die elektrische Verbindung zwischen den fünften und den dritten Metallisierungspads der benachbarten in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elemente lediglich unter Verwendung von metallischen Leitern implementiert ist. Eine von dem thermoelektrischen Generator mit den thermoelektrischen Elementen 20 erzeugte Spannung kann von einem dritten Metallisierungspad eines thermoelektrischen Elements, das das erste in der Reihe ist, und einem fünften oder einem ersten Metallisierungspad eines thermoelektrischen Elements, das das letzte in der Reihe ist, abgegriffen werden. Die Verwendung der thermoelektrischen Elemente, die die fünften Metallisierungspads umfassen, kann von Vorteil sein, da die elektrischen Verbindungen lediglich auf einer Seite (d.h. der zweiten Seite) der dielektrischen Substrate 100 der thermoelektrischen Elemente implementiert werden.If the thermoelectric elements 20 comprising the fifth metallization pad 115 are used in the thermoelectric generator, the fifth metallization pad 115 can be used instead of the first metallization pad 111 for the series connection of the thermoelectric elements 20 . The electrical connection of each thermoelectric element other than the first and last in series is defined as follows: a thermoelectric element has a fifth metallization pad that is electrically connected to a third metallization pad of another thermoelectric element that is connected in series immediately after said thermoelectric element and a third metallization pad electrically connected to a fifth metallization pad of yet another thermoelectric element connected in series immediately prior to said thermoelectric element, the electrical connection between the fifth and third metallization pads of adjacent series connected thermoelectric elements Elements is implemented using only metallic conductors. A voltage generated by the thermoelectric generator with the thermoelectric elements 20 can be tapped off from a third metallization pad of a thermoelectric element, which is the first in the series, and a fifth or a first metallization pad of a thermoelectric element, which is the last in the series . The use of the thermoelectric elements comprising the fifth metallization pads can be advantageous since the electrical connections are implemented on only one side (i.e. the second side) of the dielectric substrates 100 of the thermoelectric elements.

Die elektrischen Verbindungen können durch Löten oder Hartlöten der Metallisierungspads miteinander oder mit Verbindungselementen umgesetzt/hergestellt werden. Ein Verbindungselement kann ein Metalldraht, ein Metallstab, ein Metallstreifen oder eine Kombination davon sein. Das Verbindungselement kann ein dielektrisches Substrat mit mindestens einem Metallisierungspad sein oder ein solches umfassen. Die Verbindungselemente können aus denselben Materialien hergestellt werden, die auch für die thermoelektrischen Elemente verwendet werden. Die Verwendung der gleichen Materialien in den Verbindungselementen und den thermoelektrischen Elementen kann von Vorteil sein, da diese Elemente bei erhöhter Temperatur eine im Wesentlichen gleiche Ausdehnung aufweisen, wenn der thermoelektrische Generator in Betrieb ist. Die Zwischenverbindungselemente können elektrische Verbindungen zwischen den Metallisierungspads der thermoelektrischen Elemente herstellen. Die Verbindungselemente können für die thermische Kopplung der thermoelektrischen Elemente mit einer Wärmequelle oder einer Wärmesenke angepasst sein. Die Verbindungselemente können ferner dazu dienen, die thermoelektrischen Elemente miteinander zu verbinden.The electrical connections can be implemented/established by soldering or brazing the metallization pads to one another or to connection elements. A connecting element can be a metal wire, a metal bar, a metal strip, or a combination thereof. The connecting element can be or comprise a dielectric substrate with at least one metallization pad. The connecting elements can be made from the same materials that are used for the thermoelectric elements. The use of the same materials in the connecting elements and the thermoelectric elements can be advantageous since these elements have essentially the same expansion at elevated temperature when the thermoelectric generator is in operation. The interconnection elements can provide electrical connections between the metallization pads of the thermoelectric elements. The connectors may be adapted for thermally coupling the thermoelectric elements to a heat source or heat sink. The connecting elements can also be used to connect the thermoelectric elements to one another.

11 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel 130 des thermoelektrischen Generators, während die 12 und 13 dessen Querschnitte zeigen. Der thermoelektrische Generator 130 umfasst ein erstes Verbindungselement 170, ein zweites Verbindungselement 160 und vier thermoelektrische Elemente 10, die in 11 mit 10a-d nummeriert sind. Der thermoelektrische Generator kann ferner eines oder beide der folgenden optionalen Verbindungselemente umfassen: ein drittes Verbindungselement 150 und ein viertes Verbindungselement 140. Das erste Verbindungselement 170 umfasst ein dielektrisches Substrat 151 mit drei Metallisierungspads 152a, 152bc, und 152d. Das Metallisierungspad 152bc befindet sich zwischen den Metallisierungspads 152a und 152d. Das Metallisierungspad 152bc ist für eine elektrische Verbindung (z. B. durch Löten oder Hartlöten) mit zwei Metallisierungspads benachbarter thermoelektrischer Elemente 10 vorgesehen. Die Metallisierungspads 152a und 152d sind jeweils für eine elektrische Verbindung (z. B. Löten oder Hartlöten) mit einem einzelnen Metallisierungspad eines thermoelektrischen Elements angeordnet. Das zweite Verbindungselement 160 umfasst ein dielektrisches Substrat 141 mit zwei Metallisierungspads 142ab und 142cd, wobei jedes der Metallisierungspads für eine elektrische Verbindung (z. B. durch Löten oder Hartlöten) mit zwei Metallisierungspads benachbarter thermoelektrischer Elemente 10 vorgesehen ist. Die thermoelektrischen Elemente 10a-d sind in einer Reihe angeordnet. Die ersten 170 und die zweiten 160 Verbindungselemente können so angeordnet werden, dass Teile der thermoelektrischen Elemente 10a-d, die die ersten und die dritten Metallisierungspads umfassen, zwischen den ersten 170 und den zweiten 160 Verbindungselementen sandwichartig angeordnet sind. 11 13 illustrates an embodiment 130 of the thermoelectric generator, while the 12 and 13 show its cross sections. The thermoelectric generator 130 comprises a first connection element 170, a second connection element 160 and four thermoelectric elements 10, which are shown in 11 are numbered 10a-d. The thermoelectric generator may further include one or both of the following optional connectors: a third connector 150 and a fourth connector 140. The first connector 170 includes a dielectric substrate 151 having three metallization pads 152a, 152bc, and 152d. Metallization pad 152bc is located between metallization pads 152a and 152d. Metallization pad 152bc is provided for electrical connection (e.g., by soldering or brazing) to two metallization pads of adjacent thermoelectric elements 10 . Metallization pads 152a and 152d are each arranged for electrical connection (e.g., soldering or brazing) to a single metallization pad of a thermoelectric element. The second connection element 160 comprises a dielectric substrate 141 with two metallization pads 142ab and 142cd, each of the metallization pads being intended for electrical connection (e.g. by soldering or brazing) to two metallization pads of adjacent thermoelectric elements 10 . The thermoelectric elements 10a-d are arranged in a row. The first 170 and second 160 interconnection elements may be arranged such that portions of the thermoelectric elements 10a-d comprising the first and third metallization pads are sandwiched between the first 170 and second 160 interconnection elements.

Das erste Metallisierungspad 111a auf einem dielektrischen Substrat 100a des thermoelektrischen Elements 10a ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 152a verbunden. Das dritte Metallisierungspad 113a auf dem dielektrischen Substrat 100a ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 142ab verbunden. Das erste Metallisierungspad 111b auf einem dielektrischen Substrat 100b des thermoelektrischen Elements 10b ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 142ab verbunden. Das dritte Metallisierungspad 113b auf dem dielektrischen Substrat 100b ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 152bc verbunden. Das erste Metallisierungspad 111c auf einem dielektrischen Substrat 100c des thermoelektrischen Elements 10c ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 152bc verbunden. Das dritte Metallisierungspad 113c auf dem dielektrischen Substrat 100c ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 142cd verbunden. Das erste Metallisierungspad 111d auf einem dielektrischen Substrat 100d des thermoelektrischen Elements 10d ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 142cd verbunden. Das dritte Metallisierungspad 113d auf dem dielektrischen Substrat 100d ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 152d verbunden. Die elektrischen Verbindungen zwischen den ersten und dritten Metallisierungspads 111a-d und 113a-d der thermoelektrischen Elemente 10a-d und den Metallisierungspads der Verbindungselemente 160 und 170 können mit Hilfe von Lötmaterialien oder Hartlötmaterialien 153a-d und 143a-d hergestellt werden, wie in 12 dargestellt.The first metallization pad 111a on a dielectric substrate 100a of the thermoelectric element 10a is electrically connected to the metallization pad 152a. The third metallization pad 113a on the dielectric substrate 100a is electrically connected to the metallization pad 142ab. The first metallization pad 111b on a dielectric substrate 100b of the thermoelectric element 10b is electrically connected to the metallization pad 142ab. The third metallization pad 113b on the dielectric substrate 100b is electrically connected to the metallization pad 152bc. The first metallization pad 111c on a dielectric substrate 100c of the thermoelectric element 10c is electrically connected to the metallization pad 152bc. The third metallization pad 113c on the dielectric substrate 100c is electrically connected to the metallization pad 142cd. The first metallization pad 111d on a dielectric substrate 100d of the thermoelectric element 10d is electrically connected to the metallization pad 142cd. The third metallization pad 113d on the dielectric substrate 100d is electrically connected to the metallization pad 152d. The electrical connections between the first and third metallization pads 111a-d and 113a-d of the thermoelectric elements 10a-d and the metallization pads of the connection elements 160 and 170 can be made by means of soldering materials or brazing materials 153a-d and 143a-d, as in 12 shown.

Das erste und das zweite Verbindungselement 170 und 160 bilden die folgende elektrische Kette: das Metallisierungspad 152a des ersten Zwischenverbindungselements 170, das erste Metallisierungspad 111a des thermoelektrischen Elements 10a, eine erste thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 10a, eine zweite thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 10a, das dritte Metallisierungspad 113a des thermoelektrischen Elements 10a, das Metallisierungspad 142ab des Verbindungselements 160, das erste Metallisierungspad 111b des thermoelektrischen Elements 10b, eine erste thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 10b, eine zweite thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 10b, das dritte Metallisierungspad 113b des thermoelektrischen Elements 10b, das Metallisierungspad 152bc, das erste Metallisierungspad 111c des thermoelektrischen Elements 10c, eine erste thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 10c, eine zweite thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 10c, das dritte Metallisierungspad 113c des thermoelektrischen Elements 10c, das Metallisierungspad 142cd, das erste Metallisierungspad 111d des thermoelektrischen Elements 10d, eine erste thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 10d, eine zweite thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 10d, das dritte Metallisierungspad 113d des thermoelektrischen Elements 10d, das Metallisierungspad 152d, wobei die Elemente in dieser Liste in der gleichen Reihenfolge, wie sie aufgelistet sind, elektrisch in Reihe geschaltet sind.The first and second connection elements 170 and 160 form the following electrical chain: the metallization pad 152a of the first interconnection element 170, the first metallization pad 111a of the thermoelectric element 10a, a first thermoelectric layer of the thermoelectric element 10a, a second thermoelectric layer of the thermoelectric element 10a, the third metallization pad 113a of the thermoelectric element 10a, the metallization pad 142ab of the connecting element 160, the first metallization pad 111b of the thermoelectric element 10b, a first thermoelectric layer of the thermoelectric element 10b, a second thermoelectric layer of the thermoelectric element 10b, the third metallization pad 113b of the thermoelectric element 10b, the metallization pad 152bc, the first metallization pad 111c of the thermoelectric element 10c, a first thermoelectric layer of the thermoelectric element 10c, a second ther moelectric layer of the thermoelectric element 10c, the third metallization pad 113c of the thermoelectric element 10c, the metallization pad 142cd, the first metallization pad 111d of the thermoelectric element 10d, a first thermoelectric layer of the thermoelectric element 10d, a second thermoelectric layer of the thermoelectric element 10d, the third metallization pad 113d of the thermoelectric element 10d, the metallization pad 152d, the elements in this list being electrically connected in series in the same order as they are listed.

Eine vom thermoelektrischen Generator 130 erzeugte Spannung, wenn dieser in Betrieb ist, wird von den Metallisierungspads 152a und 154d abgegriffen.A voltage generated by the thermoelectric generator 130 when it is in operation is tapped off from the metallization pads 152a and 154d.

Das erste Verbindungselement 170 und das zweite Verbindungselement 160 können außerdem für eine thermische Kopplung des ersten und des dritten Metallisierungspads 111a-d und 113a-d der thermoelektrischen Elemente 10a-d mit einem Wärmesenke sorgen. Diese Verbindungselemente 160 und 170 können auch die thermoelektrischen Elemente im thermoelektrischen Generator 130 befestigen, wodurch ein modularer Aufbau entsteht.The first connector 170 and the second connector 160 may also ensure thermal coupling of the first and the third metallization pads 111a-d and 113a-d of the thermoelectric elements 10a-d with a heat sink. These fasteners 160 and 170 can also secure the thermoelectric elements in the thermoelectric generator 130, resulting in a modular design.

Das optionale dritte Verbindungselement 150 umfasst ein dielektrisches Substrat 171 mit vier Metallisierungspads 172a-d, die jeweils zur Verbindung (z. B. durch Löten oder Hartlöten) mit einem Metallisierungspad der thermoelektrischen Elemente 10a-d vorgesehen sind. Das optionale vierte Verbindungselement 140 umfasst ein dielektrisches Substrat 161 mit vier Metallisierungspads 162a-d, die jeweils zur Verbindung (z. B. durch Löten oder Hartlöten) mit einem Metallisierungspad der thermoelektrischen Elemente 10a-d vorgesehen sind. Das Metallisierungspad 172a ist mit einem zweiten Metallisierungspad 112a auf dem dielektrischen Substrat 100a verbunden. Das Metallisierungspad 162a ist mit einem vierten Metallisierungspad 114a auf dem dielektrischen Substrat 100a verbunden. Das Metallisierungspad 172b ist mit einem vierten Metallisierungspad 114b auf dem dielektrischen Substrat 100b verbunden. Das Metallisierungspad 162b ist mit einem zweiten Metallisierungspad 112b auf dem dielektrischen Substrat 100a verbunden. Das Metallisierungspad 172c ist mit einem zweiten Metallisierungspad 112c auf dem dielektrischen Substrat 100c verbunden. Das Metallisierungspad 162c ist mit einem vierten Metallisierungspad 114c auf dem dielektrischen Substrat 100c verbunden. Das Metallisierungspad 172d ist mit einem vierten Metallisierungspad 114d auf dem dielektrischen Substrat 100d verbunden. Das Metallisierungspad 162d ist mit einem zweiten Metallisierungspad 112d auf dem dielektrischen Substrat 100d verbunden. Die Verbindungen zwischen den zweiten und vierten Metallisierungspads 112a-d und 114a-d der thermoelektrischen Elemente 10a-d und den Metallisierungspads des dritten Verbindungselements 150 und des vierten Verbindungselements 140 können unter Verwendung von Lötmaterialien oder Hartlotmaterialien 173a-d und 163a-d, wie in 13 dargestellt, implementiert werden.The optional third connection element 150 comprises a dielectric substrate 171 with four metallization pads 172a-d, which are each provided for connection (e.g. by soldering or brazing) to a metallization pad of the thermoelectric elements 10a-d. The optional fourth connection element 140 comprises a dielectric substrate 161 with four metallization pads 162a-d, which are each provided for connection (e.g. by soldering or brazing) to a metallization pad of the thermoelectric elements 10a-d. The metallization pad 172a is connected to a second metallization pad 112a on the dielectric substrate 100a. The metallization pad 162a is connected to a fourth metallization pad 114a on the dielectric substrate 100a. Metallization pad 172b is connected to a fourth metallization pad 114b on dielectric substrate 100b. Metallization pad 162b is connected to a second metallization pad 112b on dielectric substrate 100a. Metallization pad 172c is connected to a second metallization pad 112c on dielectric substrate 100c. Metallization pad 162c is connected to a fourth metallization pad 114c on dielectric substrate 100c. Metallization pad 172d is connected to a fourth metallization pad 114d on dielectric substrate 100d. Metallization pad 162d is connected to a second metallization pad 112d on dielectric substrate 100d. The connections between the second and fourth metallization pads 112a-d and 114a-d of the thermoelectric elements 10a-d and the metallization pads of the third connection element 150 and the fourth connection element 140 can be made using soldering materials or brazing materials 173a-d and 163a-d, as in FIG 13 shown, implemented.

Das dritte Verbindungselement 150 und/oder das vierte Verbindungselement 140 können ferner für eine thermische Kopplung der zweiten und vierten Metallisierungspads der thermoelektrischen Elemente 10a-d mit einer Wärmequelle sorgen. Diese Verbindungselemente 150 und 140 können auch die thermoelektrischen Elemente 10a-d im thermoelektrischen Generator 130 befestigen, wodurch ein modularer Aufbau entsteht. Die dritten 150 und vierten 140 Verbindungselemente können so angeordnet werden, dass die Teile der thermoelektrischen Elemente 10a-d, die die zweiten 112a-d und die vierten 114a-d Metallisierungspads umfassen, zwischen diesen Verbindungselementen sandwichartig angeordnet sind.The third connection element 150 and/or the fourth connection element 140 can furthermore ensure a thermal coupling of the second and fourth metallization pads of the thermoelectric elements 10a-d with a heat source. These connection elements 150 and 140 can also fasten the thermoelectric elements 10a-d in the thermoelectric generator 130, resulting in a modular construction. The third 150 and fourth 140 interconnection elements may be arranged such that the portions of the thermoelectric elements 10a-d comprising the second 112a-d and fourth 114a-d metallization pads are sandwiched between these interconnection elements.

Die Anordnung der thermoelektrischen Elemente 10a-d im thermoelektrischen Generator 130 kann auf eine beliebige Anzahl der thermoelektrischen Elemente 10 erweitert werden. Die erweiterte Version des thermoelektrischen Generators 130 umfasst angepasste Versionen des ersten und des zweiten Schaltelements 170 und 160. Jede der angepassten Versionen des ersten und des zweiten Verbindungselements umfasst Metallisierungspads, die jeweils ein Paar der ersten und der dritten Metallisierungspads von jeweiligen benachbarten thermoelektrischen Elementen elektrisch verbinden, wobei die thermoelektrischen Elemente in einer Reihe angeordnet sind. Diese Verbindungselemente können so angeordnet sein, dass Teile der thermoelektrischen Elemente, die das erste und das dritte Metallisierungspad umfassen, zwischen diesen Verbindungselementen sandwichartig angeordnet sind. Wenn diese Verbindungselemente als lose Teile betrachtet werden, sind die Metallisierungspads jedes dieser Verbindungselemente galvanisch voneinander isoliert.The arrangement of the thermoelectric elements 10a-d in the thermoelectric generator 130 can be extended to any number of thermoelectric elements 10. The expanded version of the thermoelectric generator 130 includes adapted versions of the first and second switching elements 170 and 160. Each of the adapted versions of the first and second connection elements includes metallization pads that electrically connect a pair of the first and third metallization pads of respective adjacent thermoelectric elements , wherein the thermoelectric elements are arranged in a row. These connection elements can be arranged in such a way that parts of the thermoelectric elements, which comprise the first and the third metallization pad, are sandwiched between these connection elements. If these connectors are considered loose parts, the metallization pads of each of these connectors are galvanically isolated from each other.

Diese erweiterte Version des thermoelektrischen Generators 130 kann ferner eine angepasste Version des optionalen dritten Verbindungselements 150 und/oder eine angepasste Version des optionalen vierten Verbindungselements 140 umfassen. Jedes dieser optionalen Verbindungselemente umfasst Metallisierungspads, die jeweils lediglich mit einem Metallisierungspad verbunden sind, das entweder das zweite oder das vierte Metallisierungspad des jeweiligen thermoelektrischen Elements ist. Diese optionalen Verbindungselemente können so angeordnet werden, dass Teile der thermoelektrischen Elemente, die das zweite und das vierte Metallisierungspad umfassen, zwischen diesen optionalen Verbindungselementen sandwichartig angeordnet sind. Wenn diese optionalen Verbindungselemente als lose Teile betrachtet werden, sind die Metallisierungspads jedes dieser optionalen Verbindungselemente galvanisch voneinander isoliert.This enhanced version of the thermoelectric generator 130 may further include an adapted version of the optional third connector 150 and/or an adapted version of the optional fourth connector 140 . Each of these optional connecting elements comprises metallization pads which are each only connected to one metallization pad, which is either the second or the fourth metallization pad of the respective thermoelectric element. These optional connection elements can be arranged such that parts of the thermoelectric elements comprising the second and fourth metallization pads are sandwiched between these optional connection elements. When considering these optional connectors as loose parts, the metallization pads of each of these optional connectors are galvanically isolated from each other.

Der thermoelektrische Generator 130 oder seine erweiterte Version kann durch einen Lötprozess oder einen Hartlötprozess hergestellt werden. Für die Herstellung kann zum Beispiel ein Oberflächenmontage-Lötprozess verwendet werden. Auf die Metallisierungspads des ersten und des zweiten Verbindungselements wird mit Hilfe eines Schablonendrucks oder eines Strahldrucks eine Lötpaste aufgetragen. Dieser Schritt kann ferner das Aufbringen der Lötpaste auf die Metallisierungspads des dritten und/oder des vierten Verbindungselements umfassen, wenn entweder eines oder beide in dem thermoelektrischen Generator verwendet werden. Im nächsten Schritt werden die thermoelektrischen Elemente so über dem ersten Verbindungselement platziert, dass die Metallisierungspads der thermoelektrischen Elemente, die mit den Metallisierungspads des ersten Verbindungselements verlötet werden sollen, in Kontakt mit den Lötpastenklumpen auf den jeweiligen Metallisierungspads des ersten Verbindungselements sind. Für den Fall, dass der thermoelektrische Generator das dritte Verbindungselement umfasst, wird dieser Schritt auf eine andere Weise durchgeführt. Das erste und das dritte Verbindungselement werden entsprechend ihrer Anordnung im thermoelektrischen Generator relativ zueinander ausgerichtet, anschließend werden die thermoelektrischen Elemente so über das erste und das dritte Verbindungselement gelegt, dass die Metallisierungspads der thermoelektrischen Elemente, die mit den Metallisierungspads des ersten Verbindungselements verlötet werden sollen, in Kontakt mit den Lötpastenklumpen auf den jeweiligen Metallisierungspads des ersten Verbindungselements sind und die Metallisierungspads der thermoelektrischen Elemente, die mit den Metallisierungspads des dritten Verbindungselements verlötet werden sollen, in Kontakt mit den Lötpastenklumpen auf den jeweiligen Metallisierungspads des dritten Verbindungselements sind. Im nächsten Schritt wird das zweite Verbindungselement über einen Stapel des ersten Verbindungselements und der thermoelektrischen Elemente gelegt, so dass die Metallisierungspads der thermoelektrischen Elemente, die mit den Metallisierungspads des zweiten Verbindungselements verlötet werden sollen, mit den Lötpastenklumpen auf den jeweiligen Metallisierungspads des zweiten Verbindungselements in Kontakt sind. Wenn das vierte Verbindungselement verwendet wird, umfasst dieser Schritt ferner das Platzieren des vierten Verbindungselements über dem Stapel des zweiten Verbindungselements und der thermoelektrischen Elemente, so dass die Metallisierungspads der thermoelektrischen Elemente, die mit den Metallisierungspads des vierten Verbindungselements verlötet werden sollen, in Kontakt mit den Lötpastenklumpen auf den jeweiligen Metallisierungspads des vierten Verbindungselements in Kontakt. Im letzten Schritt wird die gesamte Anordnung aus mindestens dem ersten Verbindungselement, den thermoelektrischen Elementen und dem zweiten Verbindungselement in einem Lötofen bei erhöhter Temperatur verarbeitet, um Lötverbindungen zwischen den Metallisierungspads herzustellen.The thermoelectric generator 130 or its enhanced version can be manufactured by a soldering process or a brazing process. For example, a surface mount soldering process can be used for manufacture. A soldering paste is applied to the metallization pads of the first and of the second connecting element with the aid of stencil printing or jet printing. This step may further comprise applying the solder paste to the metallization pads of the third and/or the fourth connection element if either or both in the thermoelectric generator can be used. In the next step, the thermoelectric elements are placed over the first connection element such that the metallization pads of the thermoelectric elements, which are to be soldered to the metallization pads of the first connection element, are in contact with the solder paste lumps on the respective metallization pads of the first connection element. In the event that the thermoelectric generator includes the third connection element, this step is carried out in a different way. The first and the third connecting element are aligned relative to each other according to their arrangement in the thermoelectric generator, then the thermoelectric elements are placed over the first and the third connecting element in such a way that the metallization pads of the thermoelectric elements, which are to be soldered to the metallization pads of the first connecting element, are in contact with the solder paste lumps on the respective metallization pads of the first connection element and the metallization pads of the thermoelectric elements to be soldered to the metallization pads of the third connection element are in contact with the solder paste lumps on the respective metallization pads of the third connection element. In the next step, the second connection element is placed over a stack of the first connection element and the thermoelectric elements, so that the metallization pads of the thermoelectric elements, which are to be soldered to the metallization pads of the second connection element, are in contact with the solder paste lumps on the respective metallization pads of the second connection element are. If the fourth interconnection element is used, this step further includes placing the fourth interconnection element over the stack of the second interconnection element and thermoelectric elements such that the metallization pads of the thermoelectric elements that are to be soldered to the metallization pads of the fourth interconnection element are in contact with the Blobs of solder paste on the respective metallization pads of the fourth connector in contact. In the last step, the entire arrangement made up of at least the first connecting element, the thermoelectric elements and the second connecting element is processed in a soldering oven at elevated temperature in order to produce soldered connections between the metallization pads.

Bei der Herstellung des thermoelektrischen Generators kann anstelle des Lötprozesses ein Hartlötprozess verwendet werden. In diesem Fall wird anstelle der Lötpaste ein Füllmaterial verwendet, und anstelle des Ofens wird ein Hochofen für den Hartlötprozess eingesetzt. Im Gegensatz zum Ofen führt der Hochofen den Hartlötprozess bei einer höheren Temperatur als die des Lötprozesses durch und kann optional eine inerte Atmosphäre bereitstellen.In the manufacture of the thermoelectric generator, a brazing process can be used instead of the soldering process. In this case, a filler material is used instead of the solder paste, and a blast furnace is used instead of the furnace for the brazing process. Unlike the furnace, the blast furnace performs the brazing process at a higher temperature than that of the brazing process and can optionally provide an inert atmosphere.

14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel 230 des thermoelektrischen Generators, während die 15 und 16 dessen Querschnitte zeigen. Der thermoelektrische Generator 230 umfasst ein erstes Verbindungselement 260 und vier in einer Reihe angeordnete thermoelektrische Elemente 20, die in 14 mit 20a-d nummeriert sind. Der thermoelektrische Generator kann ferner eine beliebige Kombination der folgenden optionalen Verbindungselemente umfassen: ein zweites Verbindungselement 270, ein drittes Verbindungselement 240 und ein viertes Verbindungselement 250. Das erste Zwischenverbindungselement 260 umfasst ein dielektrisches Substrat 261 mit einer Reihe von Metallisierungspads 262a-e. Das erste Metallisierungspad 262a in der Reihe ist für die elektrische Verbindung (z. B. Löten oder Hartlöten) mit lediglich einem Metallisierungspad des thermoelektrischen Elements 20a vorgesehen, das das erste in der Reihe der thermoelektrischen Elemente ist. Das letzte Metallisierungspad 262e in der Reihe ist für die elektrische Verbindung (z. B. Löten oder Hartlöten) mit lediglich einem Metallisierungspad des thermoelektrischen Elements 20d vorgesehen, das das letzte in der Reihe der thermoelektrischen Elemente ist. Jedes der übrigen Metallisierungspads 262b-d ist für eine elektrische Verbindung (z. B. Löten oder Hartlöten) mit einem Paar aus dem fünften und dem dritten Metallisierungspad der thermoelektrischen Elemente 20a-d vorgesehen, die in der Reihe der thermoelektrischen Elemente benachbart sind. 14 shows another embodiment 230 of the thermoelectric generator, while the 15 and 16 show its cross sections. The thermoelectric generator 230 comprises a first connecting element 260 and four thermoelectric elements 20 arranged in a row, which are 14 are numbered 20a-d. The thermoelectric generator may further include any combination of the following optional interconnects: a second interconnect 270, a third interconnect 240, and a fourth interconnect 250. The first interconnect 260 includes a dielectric substrate 261 having a series of metallization pads 262a-e. The first metallization pad 262a in the series is for electrical connection (e.g., soldering or brazing) to only one metallization pad of the thermoelectric element 20a, which is the first in the series of thermoelectric elements. The last metallization pad 262e in the series is for electrical connection (e.g., soldering or brazing) to only one metallization pad of thermoelectric element 20d, which is the last in the series of thermoelectric elements. Each of the remaining metallization pads 262b-d is for electrical connection (e.g., soldering or brazing) to a pair of fifth and third metallization pads of thermoelectric elements 20a-d that are adjacent in the row of thermoelectric elements.

Das fünfte Metallisierungspad 115a auf einem dielektrischen Substrat 100a des thermoelektrischen Elements 20a ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 262a verbunden. Das dritte Metallisierungspad 113a auf dem dielektrischen Substrat 100a ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 262b verbunden. Das fünfte Metallisierungspad 115b auf einem dielektrischen Substrat 100b des thermoelektrischen Elements 20b ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 262b verbunden. Das dritte Metallisierungspad 113b auf dem dielektrischen Substrat 100b ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 262c verbunden. Das fünfte Metallisierungspad 115c auf einem dielektrischen Substrat 100c des thermoelektrischen Elements 20c ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 262c verbunden. Das dritte Metallisierungspad 113c auf dem dielektrischen Substrat 100c ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 262d verbunden. Das fünfte Metallisierungspad 115d auf einem dielektrischen Substrat 100d des thermoelektrischen Elements 20d ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 262d verbunden. Das dritte Metallisierungspad 113d auf dem dielektrischen Substrat 100d ist elektrisch mit dem Metallisierungspad 262e verbunden. Die elektrischen Verbindungen zwischen den ersten und den fünften Metallisierungspads 115a-d und 113a-d der thermoelektrischen Elemente 20a-d und den Metallisierungspads 262a-e des ersten Verbindungselements 260 können unter Verwendung von Lötmaterialien oder Hartlötmaterialien 263a-h, wie in 16 dargestellt, implementiert werden.The fifth metallization pad 115a on a dielectric substrate 100a of the thermoelectric element 20a is electrically connected to the metallization pad 262a. The third metallization pad 113a on the dielectric substrate 100a is electrically connected to the metallization pad 262b. The fifth metallization pad 115b on a dielectric substrate 100b of the thermoelectric element 20b is electrically connected to the metallization pad 262b. The third metallization pad 113b on the dielectric substrate 100b is electrically connected to the metallization pad 262c. The fifth metallization pad 115c on a dielectric substrate 100c of the thermoelectric element 20c is electrically connected to the metallization pad 262c. The third metallization pad 113c on the dielectric substrate 100c is electrically connected to the metallization pad 262d. The fifth metallization pad 115d on a dielectric substrate 100d of the thermoelectric element 20d is electrically connected to the metallization pad 262d. The third metallization pad 113d on the dielectric substrate 100d is electrically connected to the metallization pad 262e tied. The electrical connections between the first and fifth metallization pads 115a-d and 113a-d of the thermoelectric elements 20a-d and the metallization pads 262a-e of the first connection element 260 can be made using solder materials or braze materials 263a-h, as in FIG 16 shown, implemented.

Das erste Verschaltungselement 260 sieht die folgende elektrische Kette vor: das Metallisierungspad 262a, das fünfte Metallisierungspad 115a des thermoelektrischen Elements 20a, das erste Metallisierungspad 111a des thermoelektrischen Elements 20a, eine erste thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 20a, eine zweite thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 20a, das dritte Metallisierungspad 113a des thermoelektrischen Elements 20a, das Metallisierungspad 262b, das fünfte Metallisierungspad 115b des thermoelektrischen Elements 20b, das erste Metallisierungspad 111b des thermoelektrischen Elements 20b, eine erste thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 20b, eine zweite thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 20b, das dritte Metallisierungspad 113b des thermoelektrischen Elements 20b, das Metallisierungspad 262c, das fünfte Metallisierungspad 115c des thermoelektrischen Elements 20c, das erste Metallisierungspad 111c des thermoelektrischen Elements 20c, eine erste thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 20c, eine zweite thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 20c, das dritte Metallisierungspad 113c des thermoelektrischen Elements 20c, das Metallisierungspad 262d, das fünfte Metallisierungspad 115b des thermoelektrischen Elements 20d, das erste Metallisierungspad 111d des thermoelektrischen Elements 20d, eine erste thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 20d, eine zweite thermoelektrische Schicht des thermoelektrischen Elements 20d, das dritte Metallisierungspad 113d des thermoelektrischen Elements 20d, das Metallisierungspad 262e, wobei die Elemente in dieser Liste in der gleichen Reihenfolge, wie sie aufgelistet sind, elektrisch in Reihe geschaltet sind. Eine vom thermoelektrischen Generator 230 erzeugte Spannung, wenn dieser in Betrieb ist, wird von den Metallisierungspads 252a und 262e abgegriffen.The first interconnection element 260 provides the following electrical chain: the metallization pad 262a, the fifth metallization pad 115a of the thermoelectric element 20a, the first metallization pad 111a of the thermoelectric element 20a, a first thermoelectric layer of the thermoelectric element 20a, a second thermoelectric layer of the thermoelectric element 20a , the third metallization pad 113a of the thermoelectric element 20a, the metallization pad 262b, the fifth metallization pad 115b of the thermoelectric element 20b, the first metallization pad 111b of the thermoelectric element 20b, a first thermoelectric layer of the thermoelectric element 20b, a second thermoelectric layer of the thermoelectric element 20b, the third metallization pad 113b of the thermoelectric element 20b, the metallization pad 262c, the fifth metallization pad 115c of the thermoelectric element 20c, the first metallization pad 111c de s thermoelectric element 20c, a first thermoelectric layer of the thermoelectric element 20c, a second thermoelectric layer of the thermoelectric element 20c, the third metallization pad 113c of the thermoelectric element 20c, the metallization pad 262d, the fifth metallization pad 115b of the thermoelectric element 20d, the first metallization pad 111d of the thermoelectric element 20d, a first thermoelectric layer of thermoelectric element 20d, a second thermoelectric layer of thermoelectric element 20d, the third metallization pad 113d of thermoelectric element 20d, metallization pad 262e, the elements in this list being in the same order as they are listed , are electrically connected in series. A voltage generated by the thermoelectric generator 230 when it is in operation is tapped off from the metallization pads 252a and 262e.

Das erste Verbindungselement 260 kann ferner eine thermische Kopplung der fünften und dritten Metallisierungspads 115a-d und 113a-d der thermoelektrischen Elemente 20a-d mit einer Wärmesenke bewirken. Das erste Verbindungselement 260 kann ferner eine thermische Kopplung der ersten Metallisierungspads 111a-d mit der Wärmesenke über die fünften Metallisierungspads 115a-d und thermische Kopplungen (z. B. Metall-Durchkontaktierung 117 in 2) zwischen den ersten und den fünften Metallisierungspads bereitstellen. Das erste Verbindungselement 260 kann auch die thermoelektrischen Elemente im thermoelektrischen Generator 230 befestigen und somit eine modulare Struktur bewirken.The first connection element 260 can also thermally couple the fifth and third metallization pads 115a-d and 113a-d of the thermoelectric elements 20a-d to a heat sink. The first connection element 260 can further thermally couple the first metallization pads 111a-d to the heat sink via the fifth metallization pads 115a-d and thermal couplings (e.g. metal via 117 in 2 ) between the first and the fifth metallization pads. The first connection element 260 can also fix the thermoelectric elements in the thermoelectric generator 230 and thus effect a modular structure.

Das optionale zweite Verbindungselement 270 des thermoelektrischen Generators 230 kann in ähnlicher Weise angeordnet werden wie das dritte Verbindungselement 150 oder das vierte Verbindungselement 140 des thermoelektrischen Generators 130. Das erste 260 und das zweite 270 Verbindungselement können so angeordnet werden, dass Teile der thermoelektrischen Elemente 20a-d, die die ersten 111a-d, dritten 113a-d und die fünften 115a-d Metallisierungspads umfassen, zwischen diesen Verbindungselementen 260 und 270 sandwichartig angeordnet sind. Das zweite Zwischenverbindungselement umfasst ein dielektrisches Substrat 271 mit vier Metallisierungspads 272a-d. Jedes der Metallisierungspads 272a-d ist zur Verbindung mit einem ersten Metallisierungspad 111a-d des jeweiligen thermoelektrischen Elements 20a-d vorgesehen, wie in 16 dargestellt. Die Verbindungen zwischen den Metallisierungspads 272a-d und den ersten Metallisierungspads 111a-d können mittels Lötmaterialien oder Hartlötmaterialien 273a-d implementiert werden. Das zweite Verbindungselement 270 kann ferner eine thermische Kopplung der ersten Metallisierungspads 111a-d der thermoelektrischen Elemente 20a-d mit einer Wärmesenke bereitstellen. Das zweite Verbindungselement 270 kann auch die thermoelektrischen Elemente im thermoelektrischen Generator 230 befestigen und somit einen modularen Aufbau bewirken.The optional second connection element 270 of the thermoelectric generator 230 can be arranged in a similar manner as the third connection element 150 or the fourth connection element 140 of the thermoelectric generator 130. The first 260 and the second 270 connection element can be arranged such that parts of the thermoelectric elements 20a- d comprising the first 111a-d, third 113a-d and fifth 115a-d metallization pads are sandwiched between these connection elements 260 and 270. The second interconnect element includes a dielectric substrate 271 with four metallization pads 272a-d. Each of the metallization pads 272a-d is provided for connection to a first metallization pad 111a-d of the respective thermoelectric element 20a-d, as in FIG 16 shown. The connections between the metallization pads 272a-d and the first metallization pads 111a-d can be implemented using solder materials or braze materials 273a-d. The second connection element 270 can furthermore provide a thermal coupling of the first metallization pads 111a-d of the thermoelectric elements 20a-d with a heat sink. The second connecting element 270 can also fasten the thermoelectric elements in the thermoelectric generator 230 and thus bring about a modular structure.

Das optionale dritte Verbindungselement 240 umfasst ein dielektrisches Substrat 241 mit acht Metallisierungspads 242a-h (15). Jedes der Metallisierungspads 242a-h ist an einem entsprechenden Metallisierungspad einer abwechselnden Folge der vierten 114a-d und der sechsten 116a-d Metallisierungspads der thermoelektrischen Elemente 20a-d befestigt. Falls die thermoelektrischen Elemente 20a-d lediglich die dritten 113a-d, die vierten 114a-d und die fünften 115a-d Metallisierungspads auf ihren zweiten Seiten aufweisen (d.h. die thermoelektrischen Elemente verfügen nicht über die sechsten Metallisierungspads 116a-d), kann das dritte Verbindungselement des thermoelektrischen Generators 230 in ähnlicher Weise wie das dritte 150 oder das vierte 140 Verbindungselement des thermoelektrischen Generators 130 implementiert werden. In diesem Fall umfasst das dritte Verbindungselement des thermoelektrischen Generators 230 ein dielektrisches Substrat mit vier Metallisierungspads, die jeweils mit dem vierten Metallisierungspad des jeweiligen thermoelektrischen Elements verbunden sind. Die Verbindungen zwischen den Metallisierungspads der thermoelektrischen Elemente und den Metallisierungspads des dritten Verbindungselements 240 können mit Lötmaterialien oder Hartlötmaterialien implementiert werden (z. B. Elemente 243a-h in 15). Das dritte Verbindungselement des thermoelektrischen Generators 230 kann für eine thermische Kopplung der vierten Metallisierungspads der thermoelektrischen Elemente mit einer Wärmequelle sorgen. Für den Fall, dass die thermoelektrischen Elemente die sechsten Metallisierungspads umfassen, kann das dritte Verbindungselement eine thermische Kopplung der sechsten Metallisierungspads mit der Wärmequelle bewirken. Eine thermische Kopplung der zweiten Metallisierungspads 112a-d mit der Wärmequelle kann über die sechsten Metallisierungspads 116a-d und thermische Kopplungen (z. B. Metall-Durchkontaktierung 118 in 2) zwischen den zweiten und den sechsten Metallisierungspads 116a-d erfolgen. Das dritte Verbindungselement des thermoelektrischen Generators 230 kann auch die thermoelektrischen Elemente in dem thermoelektrischen Generator befestigen und somit den modularen Aufbau bewirken.The optional third connection element 240 comprises a dielectric substrate 241 with eight metallization pads 242a-h ( 15 ). Each of the metallization pads 242a-h is attached to a corresponding metallization pad of an alternating sequence of the fourth 114a-d and sixth 116a-d metallization pads of the thermoelectric elements 20a-d. If the thermoelectric elements 20a-d only have the third 113a-d, the fourth 114a-d and the fifth 115a-d metallization pads on their second sides (ie the thermoelectric elements do not have the sixth metallization pads 116a-d), the third Connection element of the thermoelectric generator 230 in a similar manner as the third 150 or the fourth 140 connection element of the thermoelectric generator 130 are implemented. In this case, the third connection element of the thermoelectric generator 230 comprises a dielectric substrate with four metallization pads, which are each connected to the fourth metallization pad of the respective thermoelectric element. The connections between the metallization pads of the thermoelectric ele ments and the metallization pads of the third connection element 240 can be implemented with solder materials or braze materials (e.g. elements 243a-h in 15 ). The third connection element of the thermoelectric generator 230 can ensure a thermal coupling of the fourth metallization pads of the thermoelectric elements with a heat source. In the event that the thermoelectric elements include the sixth metallization pads, the third connection element can bring about a thermal coupling of the sixth metallization pads to the heat source. A thermal coupling of the second metallization pads 112a-d to the heat source can be achieved via the sixth metallization pads 116a-d and thermal couplings (e.g. metal via 118 in 2 ) between the second and sixth metallization pads 116a-d. The third connection element of the thermoelectric generator 230 can also fix the thermoelectric elements in the thermoelectric generator and thus bring about the modular structure.

Das optionale vierte Verbindungselement 250 umfasst ein dielektrisches Substrat 251 mit vier Metallisierungspads 252a-d (15). Jedes der Metallisierungspads 252a-d ist an einem zweiten Metallisierungspad 112a-d des jeweiligen thermoelektrischen Elements 20a-d befestigt. Die Verbindungen zwischen den zweiten Metallisierungspads 112a-d der thermoelektrischen Elemente 20a-d und den Metallisierungspads 252a-d des vierten Verbindungselements 250 können mit Lötmaterialien oder Hartlötmaterialien (z. B. Elemente 253a-d in 15) implementiert werden. Das vierte Verbindungselement 250 des thermoelektrischen Generators 230 kann ferner eine thermische Kopplung der zweiten Metallisierungspads 112a-d der thermoelektrischen Elemente 20a-d mit der Wärmequelle bereitstellen. Das vierte Verbindungselement 250 kann auch die thermoelektrischen Elemente im thermoelektrischen Generator 230 befestigen und somit den modularen Aufbau bewirken. Das dritte 240 und das vierte 250 Verbindungselement können so angeordnet werden, dass Teile der thermoelektrischen Elemente 20a-d, die die zweiten 113a-d, vierten 114a-d und optional die sechsten 116a-d Metallisierungspads umfassen, zwischen diesen Verbindungselementen 240 und 250 sandwichartig angeordnet sind.The optional fourth connection element 250 comprises a dielectric substrate 251 with four metallization pads 252a-d ( 15 ). Each of the metallization pads 252a-d is attached to a second metallization pad 112a-d of the respective thermoelectric element 20a-d. The connections between the second metallization pads 112a-d of the thermoelectric elements 20a-d and the metallization pads 252a-d of the fourth connection element 250 can be made with solder materials or braze materials (e.g. elements 253a-d in 15 ) to be implemented. The fourth connection element 250 of the thermoelectric generator 230 can furthermore provide a thermal coupling of the second metallization pads 112a-d of the thermoelectric elements 20a-d with the heat source. The fourth connecting element 250 can also fasten the thermoelectric elements in the thermoelectric generator 230 and thus bring about the modular structure. The third 240 and fourth 250 interconnection elements may be arranged such that portions of the thermoelectric elements 20a-d comprising the second 113a-d, fourth 114a-d and optionally the sixth 116a-d metallization pads are sandwiched between these interconnection elements 240 and 250 are arranged.

Die Anordnung der thermoelektrischen Elemente 20a-d im thermoelektrischen Generator 230 kann auf eine beliebige Anzahl der thermoelektrischen Elemente 20 erweitert werden. Die erweiterte Version des thermoelektrischen Generators 130 umfasst eine angepasste Version des ersten Verbindungselements 260. Diese Version des ersten Verbindungselements 260 umfasst Metallisierungspads, die jeweils ein Paar des dritten und des fünften Metallisierungspads von jeweils benachbarten thermoelektrischen Elementen elektrisch verbinden, wobei die thermoelektrischen Elemente in einer Reihe angeordnet sind. Die erweiterte Version des thermoelektrischen Generators 130 kann ferner ein Verbindungselement umfassen, das eine angepasste Version des optionalen zweiten Verbindungselements 270 ist. Diese Version des zweiten Verbindungselements umfasst Metallisierungspads, die jeweils lediglich mit einem ersten Metallisierungspad des jeweiligen thermoelektrischen Elements verbunden sind. Die angepassten Versionen des ersten und des zweiten Verbindungselements können so angeordnet werden, dass Teile der thermoelektrischen Elemente, die das erste, das dritte und das fünfte Metallisierungspad umfassen, zwischen diesen Verbindungselementen sandwichartig angeordnet sind. Wenn diese Verbindungselemente als lose Teile betrachtet werden, sind die Metallisierungspads jedes dieser Verbindungselemente galvanisch voneinander isoliert.The arrangement of the thermoelectric elements 20a-d in the thermoelectric generator 230 can be extended to any number of the thermoelectric elements 20. The extended version of the thermoelectric generator 130 includes an adapted version of the first connection element 260. This version of the first connection element 260 includes metallization pads that each electrically connect a pair of the third and fifth metallization pads of respective adjacent thermoelectric elements, with the thermoelectric elements in a row are arranged. The enhanced version of the thermoelectric generator 130 may further include a connector that is an adapted version of the optional second connector 270 . This version of the second connection element includes metallization pads that are each only connected to a first metallization pad of the respective thermoelectric element. The mated versions of the first and second interconnection elements may be arranged such that portions of the thermoelectric elements comprising the first, third and fifth metallization pads are sandwiched between these interconnection elements. If these connectors are considered loose parts, the metallization pads of each of these connectors are galvanically isolated from each other.

Die erweiterte Version des thermoelektrischen Generators 230 kann ferner eines oder beide Verbindungselemente umfassen, die angepasste Versionen des optionalen dritten bzw. vierten Verbindungselements sind. Die angepasste Version des vierten Verbindungselements 250 umfasst Metallisierungspads, die jeweils lediglich mit einem zweiten Metallisierungspad des jeweiligen thermoelektrischen Elements verbunden sind. Die angepasste Version des dritten Verbindungselements 240 umfasst Metallisierungspads, die jeweils nur mit einem vierten Metallisierungspad des jeweiligen thermoelektrischen Elements verbunden sind. Die angepasste Version des dritten Verbindungselements kann weitere Metallisierungspads umfassen, die jeweils nur mit einem sechsten Metallisierungspad des jeweiligen thermoelektrischen Elements verbunden sind. Diese optionalen Verbindungselemente können so angeordnet werden, dass Teile der thermoelektrischen Elemente, die die zweiten, die vierten und optional die sechsten Metallisierungspads umfassen, zwischen diesen optionalen Verbindungselementen sandwichartig angeordnet sind. Wenn diese optionalen Verbindungselemente als lose Teile betrachtet werden, sind die Metallisierungspads jedes dieser optionalen Verbindungselemente galvanisch voneinander isoliert.The enhanced version of the thermoelectric generator 230 may further include one or both of the connectors that are adapted versions of the optional third and fourth connectors, respectively. The adapted version of the fourth connection element 250 comprises metallization pads which are each only connected to a second metallization pad of the respective thermoelectric element. The adapted version of the third connection element 240 comprises metallization pads which are each only connected to a fourth metallization pad of the respective thermoelectric element. The adapted version of the third connection element can comprise further metallization pads which are each only connected to a sixth metallization pad of the respective thermoelectric element. These optional connection elements can be arranged such that parts of the thermoelectric elements comprising the second, the fourth and optionally the sixth metallization pads are sandwiched between these optional connection elements. When considering these optional connectors as loose parts, the metallization pads of each of these optional connectors are galvanically isolated from each other.

Der thermoelektrische Generator 230 oder seine erweiterte Version kann mit Hilfe des Lötprozesses oder des Hartlötprozesses, wie oben beschrieben, hergestellt werden.The thermoelectric generator 230 or its enhanced version can be manufactured using the soldering process or the brazing process as described above.

Die 17 bis 21 veranschaulichen ein Herstellungsverfahren für eines der oben beschriebenen thermoelektrischen Elemente. Diese Abbildungen zeigen Querschnitte des thermoelektrischen Elements in verschiedenen Phasen seiner Herstellung. Das Verfahren beginnt damit, dass ein dielektrisches Substrat 100 mit den ersten, zweiten, dritten und vierten Metallisierungspads 111 - 114 bereitgestellt wird. Die Metallisierungspads 111 - 114 werden auf dem dielektrischen Substrat in der gleichen Weise wie die oben beschriebenen Metallisierungspads 111 - 114 angeordnet. Jedes der Metallisierungspads 111 - 114 kann eine abgeschrägte Seitenwand haben, wie oben beschrieben. Das dielektrische Substrat kann die optionalen fünften und/oder sechsten Metallisierungspads aufweisen, die, wie oben beschrieben, mit den ersten bzw. zweiten Metallisierungspads verbunden sind. Die optionalen fünften und sechsten Metallisierungspads sind in einem Querschnitt des dielektrischen Wafers 100 und der in 17 dargestellten Metallisierungspads lediglich zu Illustrationszwecken weggelassen. Das erste Metallisierungspad 111 ist durch einen ersten Spalt vom zweiten Metallisierungspad 112 auf der ersten Seite des dielektrischen Substrats getrennt. Das dritte Metallisierungspad 113 ist durch einen zweiten Spalt von dem vierten Metallisierungspad 114 auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrats getrennt.the 17 until 21 illustrate a manufacturing method for one of the thermoelectric elements described above. These figures show cross-sections of the thermoelectric element at different stages of its manufacture lung. The method begins by providing a dielectric substrate 100 having first, second, third, and fourth metallization pads 111-114. The metallization pads 111-114 are placed on the dielectric substrate in the same manner as the metallization pads 111-114 described above. Each of the metallization pads 111-114 may have a sloped sidewall as described above. The dielectric substrate may have the optional fifth and/or sixth metallization pads connected to the first and second metallization pads, respectively, as described above. The optional fifth and sixth metallization pads are shown in a cross section of the dielectric wafer 100 and the FIG 17 metallization pads shown omitted for illustration purposes only. The first metallization pad 111 is separated from the second metallization pad 112 on the first side of the dielectric substrate by a first gap. The third metallization pad 113 is separated from the fourth metallization pad 114 on the second side of the dielectric substrate by a second gap.

Ein nächster, in 18 dargestellter Schritt ist optional. In diesem Schritt wird im ersten Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Metallisierungspad 111 und 112 eine Aussparung 120a in das dielektrische Substrat hergestellt. Diese kann durch Laserablation, vorzugsweise durch Photoablation, hergestellt werden. Die Photoablation kann vorteilhaft sein, weil sie einen reinen Materialabtrag ohne thermische Läsionen ermöglicht. Wie aus der Beschreibung der nächsten Schritte hervorgeht, definiert die Tiefe der Aussparung in einer Richtung senkrecht zu einer durch die erste Seite des dielektrischen Substrats definierten Ebene (d. h. in Z-Richtung in 17) eine Position der Grenzfläche 110 des p-n-Übergangs, der durch den Kontakt der ersten und der zweiten thermoelektrischen Schicht gebildet wird. Wird dieser Schritt nicht durchgeführt, liegt die Grenzfläche in der durch die erste Seite des dielektrischen Substrats definierten Ebene.A next, in 18 step shown is optional. In this step, a recess 120a is made in the dielectric substrate in the first gap between the first and second metallization pads 111 and 112 . This can be produced by laser ablation, preferably by photoablation. Photoablation can be beneficial because it allows for pure material removal without thermal lesions. As will be apparent from the description of the next steps, the depth of the recess is defined in a direction perpendicular to a plane defined by the first side of the dielectric substrate (i.e. in the Z-direction in 17 ) a position of the interface 110 of the pn junction formed by the contact of the first and second thermoelectric layers. If this step is not performed, the interface lies in the plane defined by the first side of the dielectric substrate.

Nach dem Bereitstellen des dielektrischen Substrats mit den Metallisierungspads oder nach dem Herstellen der Aussparung 120a in dem dielektrischen Substrat 100 wird die erste thermoelektrische Schicht 101 auf der ersten Seite des dielektrischen Substrats 100 ausgebildet (19). Die erste thermoelektrische Schicht wird zumindest in dem ersten Spalt ausgebildet. Die erste thermoelektrische Schicht steht in direktem Kontakt mit dem ersten 111 und dem zweiten 112 Metallisierungspad. Die erste thermoelektrische Schicht kann durch einen additiven Prozess wie Tintenstrahldruck oder Aerosolabscheidung hergestellt werden. Alternativ kann die erste thermoelektrische Schicht auch durch Aufbringen der thermoelektrischen Schicht auf das gesamte dielektrische Substrat mit Metallisierungspads gebildet werden. Anschließend können erforderlichenfalls Teile der ersten thermoelektrischen Schicht entfernt werden, um Teile der ersten und/oder zweiten Metallisierungspads frei von der ersten thermoelektrischen Schicht herzustellen. Die Entfernung der Teile der ersten thermoelektrischen Schicht kann durch Laserablation erfolgen, vorzugsweise durch Photoablation aus den oben genannten Gründen. Wahlweise kann die erste thermoelektrische Schicht nach ihrer Abscheidung oder nach ihrer Strukturierung im Ofen getempert werden, wenn das Letztere verwendet wird. Das Tempern kann zur Verbesserung der Kristallstruktur der ersten thermoelektrischen Schicht und/oder zum Zusammensintern von Nanopartikeln der ersten thermoelektrischen Schicht verwendet werden, wenn diese mit einer Tinte des Tintenstrahldruckprozesses gedruckt wird.After providing the dielectric substrate with the metallization pads or after producing the recess 120a in the dielectric substrate 100, the first thermoelectric layer 101 is formed on the first side of the dielectric substrate 100 ( 19 ). The first thermoelectric layer is formed at least in the first gap. The first thermoelectric layer is in direct contact with the first 111 and the second 112 metallization pad. The first thermoelectric layer can be made by an additive process such as inkjet printing or aerosol deposition. Alternatively, the first thermoelectric layer can also be formed by applying the thermoelectric layer to the entire dielectric substrate with metallization pads. If necessary, parts of the first thermoelectric layer can then be removed in order to produce parts of the first and/or second metallization pads free of the first thermoelectric layer. The parts of the first thermoelectric layer can be removed by laser ablation, preferably by photoablation for the reasons mentioned above. Optionally, the first thermoelectric layer may be furnace annealed after its deposition or after its patterning, if the latter is used. Annealing may be used to improve the crystal structure of the first thermoelectric layer and/or to sinter together nanoparticles of the first thermoelectric layer when printed with an inkjet printing process ink.

Nach der Ausbildung der ersten thermoelektrischen Schicht 101 wird im zweiten Spalt, ausgehend von der zweiten Seite des dielektrischen Substrats 100, eine Aussparung 120b in dem dielektrischen Substrat 100 hergestellt. Die Aussparung 120b erreicht die erste thermoelektrische Schicht im ersten Spalt. Infolgedessen wird das Loch 120 in dem dielektrischen Substrat 100 ausgebildet. Das Loch kann jede der oben beschriebenen Formen haben. Die Abschrägung der Seitenwände wird in diesem Schritt und/oder in dem in 18 dargestellten Schritt ausgebildet, wenn der letztere durchgeführt wird. Das Loch 120 hat eine erste Öffnung auf der ersten Seite des dielektrischen Substrats 100 und eine zweite Öffnung auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrats 100. Die erste Öffnung wird von der ersten thermoelektrischen Schicht 101 im ersten Spalt abgedeckt. Die Aussparung 120b kann durch Laserablation, vorzugsweise durch Photoablation, aus den oben genannten Gründen hergestellt werden. Optional kann die erste thermoelektrische Schicht nach der Herstellung des Lochs 120 und vor der Ausbildung der zweiten thermoelektrischen Schicht 102 im nächsten Schritt getempert werden. Das Tempern kann für den gleichen Zweck verwendet werden wie im vorherigen Schritt der Ausbildung der ersten thermoelektrischen Schicht.After the formation of the first thermoelectric layer 101, a recess 120b is produced in the dielectric substrate 100 in the second gap, starting from the second side of the dielectric substrate 100. FIG. The recess 120b reaches the first thermoelectric layer in the first gap. As a result, the hole 120 is formed in the dielectric substrate 100. FIG. The hole can have any of the shapes described above. The beveling of the side walls is done in this step and/or in the in 18 illustrated step is formed when the latter is performed. The hole 120 has a first opening on the first side of the dielectric substrate 100 and a second opening on the second side of the dielectric substrate 100. The first opening is covered by the first thermoelectric layer 101 in the first gap. The recess 120b may be formed by laser ablation, preferably photoablation, for the reasons given above. Optionally, the first thermoelectric layer may be annealed in the next step after the hole 120 is formed and before the second thermoelectric layer 102 is formed. Annealing can be used for the same purpose as in the previous step of forming the first thermoelectric layer.

Nach der Herstellung des Lochs 120 wird die zweite thermoelektrische Schicht 102 zumindest in dem Loch 120 ausgebildet (21). Die zweite thermoelektrische Schicht steht in direktem Kontakt mit dem dritten 113 und dem vierten 114 Metallisierungspad. Die zweite thermoelektrische Schicht kann auf die gleiche Weise wie die erste thermoelektrische Schicht ausgebildet werden, einschließlich eines optionalen Temperns. Die zweite thermoelektrische Schicht 102 ist so ausgebildet, dass zumindest Teile des dritten 103 und des vierten 104 Metallisierungspads frei von der zweiten thermoelektrischen Schicht 102 sind. Wenn das dielektrische Substrat auf seiner zweiten Seite die fünften und/oder sechsten Metallisierungspads aufweist, wird die zweite thermoelektrische Schicht so ausgebildet, dass zumindest Teile dieser Metallisierungspads frei von der zweiten thermoelektrischen Schicht 102 sind.After producing the hole 120, the second thermoelectric layer 102 is formed at least in the hole 120 ( 21 ). The second thermoelectric layer is in direct contact with the third 113 and the fourth 114 metallization pad. The second thermoelectric layer can be formed in the same manner as the first thermoelectric layer, including an optional anneal. The second thermoelectric layer 102 is formed in such a way that at least parts of the third 103 and the fourth 104 metallization pad are free of the second thermoelectric layer 102 are. If the dielectric substrate has the fifth and/or sixth metallization pads on its second side, the second thermoelectric layer is formed in such a way that at least parts of these metallization pads are free of the second thermoelectric layer 102.

22 zeigt einen Querschnitt des thermoelektrischen Elements nach der Bildung der ersten thermoelektrischen Schicht 101, wenn die Aussparung 120a nicht hergestellt ist. 23 zeigt einen Querschnitt dieses thermoelektrischen Elements nach der Ausbildung der zweiten thermoelektrischen Schicht 102. Um zu vermeiden, dass mindestens eines der ersten und zweiten Metallisierungspads in direktem Kontakt mit der ersten und zweiten thermoelektrischen Schicht steht, ist die Aussparung 120b (d. h. das Loch 120) schmaler als der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Metallisierungspad in x-Richtung, d. h. in Richtung des thermischen Gradienten, wenn das thermoelektrische Element in Betrieb ist. Weitere Details bezüglich der Anordnung der Metallisierungspads 111 - 114 relativ zu den ersten 101 und den zweiten 102 thermoelektrischen Schichten sind oben beschrieben. 22 12 shows a cross section of the thermoelectric element after the formation of the first thermoelectric layer 101 when the recess 120a is not formed. 23 12 shows a cross-section of this thermoelectric element after formation of the second thermoelectric layer 102. To avoid having at least one of the first and second metallization pads in direct contact with the first and second thermoelectric layers, the recess 120b (ie hole 120) is narrower as the distance between the first and the second metallization pad in the x-direction, ie in the direction of the thermal gradient when the thermoelectric element is in operation. Further details regarding the arrangement of the metallization pads 111-114 relative to the first 101 and the second 102 thermoelectric layers are described above.

24 zeigt einen Querschnitt des thermoelektrischen Elements, das gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Das thermoelektrische Element umfasst die fünften und sechsten Metallisierungspads. Da alle Verbindungen des thermoelektrischen Elements mit den Metallisierungspads 115, 113, 114 und 116 auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrats 100 implementiert werden können, kann die Strukturierung der ersten thermoelektrischen Schicht 101 entfallen. 24 Figure 12 shows a cross-section of the thermoelectric element made according to the method described above. The thermoelectric element includes the fifth and sixth metallization pads. Since all connections of the thermoelectric element to the metallization pads 115, 113, 114 and 116 can be implemented on the second side of the dielectric substrate 100, the structuring of the first thermoelectric layer 101 can be omitted.

Weitere Aspekte und AnwendungenOther aspects and applications

Die im vorigen Kapitel beschriebenen thermoelektrischen Elemente und Generatoren können als Peltier-Kühler verwendet werden. In diesem Fall wird eine Spannung an einen p-n-Übergang des thermoelektrischen Elements oder an eine Reihenfolge von p-n-Übergängen dieser Elemente angelegt, so dass der/die p-n-Übergang/ Übergänge in Sperrrichtung vorgespannt wird/werden. In einem solchen Peltier-Kühler können die gleichen thermoelektrischen Schichten verwendet werden. Darüber hinaus können Halbleiterschichten unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen anstelle der ersten und zweiten thermoelektrischen Schichten verwendet werden, wenn das Element als Peltier-Kühler eingesetzt wird. So kann zum Beispiel anstelle der ersten thermoelektrischen Schicht eine Halbleiterschicht mit p-Typ-Leitfähigkeit und anstelle der zweiten thermoelektrischen Schicht eine Halbleiterschicht mit n-Typ-Leitfähigkeit verwendet werden, während in diesem Peltier-Kühler die gleichen dielektrischen Substrate und Metallisierungspads wie oben beschrieben verwendet werden können. An das erste und das dritte Metallisierungspad kann eine Spannung zur Sperrvorspannung des p-n-Übergangs angelegt werden, während mindestens eines der zweiten und vierten Metallisierungspads mit einem zu kühlenden Bauteil thermisch gekoppelt werden kann. Das fünfte Metallisierungspad kann anstelle des ersten Metallisierungspads für die Sperrvorspannung des p-n-Übergangs verwendet werden, wenn das fünfte Metallisierungspad implementiert ist. Das sechste Metallisierungspad kann zur thermischen Kopplung mit dem zu kühlenden Bauteil verwendet werden, wenn das sechste Metallisierungspad implementiert ist. Mindestens eines der ersten, dritten und fünften Metallisierungspads kann zur thermischen Kopplung mit einem Wärmeableitungselement verwendet werden.The thermoelectric elements and generators described in the previous chapter can be used as Peltier coolers. In this case, a voltage is applied to a p-n junction of the thermoelectric element or to a series of p-n junctions of these elements, so that the p-n junction(s) is/are reverse-biased. The same thermoelectric layers can be used in such a Peltier cooler. In addition, semiconductor layers of different conductivity types can be used in place of the first and second thermoelectric layers when the element is used as a Peltier cooler. For example, a p-type conductivity semiconductor layer can be used in place of the first thermoelectric layer and an n-type conductivity semiconductor layer can be used in place of the second thermoelectric layer, while this Peltier cooler uses the same dielectric substrates and metallization pads as described above can become. A voltage can be applied to the first and third metallization pads to reverse bias the p-n junction, while at least one of the second and fourth metallization pads can be thermally coupled to a component to be cooled. The fifth metallization pad can be used instead of the first metallization pad for reverse biasing the p-n junction when the fifth metallization pad is implemented. The sixth metallization pad can be used for thermal coupling to the component to be cooled when the sixth metallization pad is implemented. At least one of the first, third and fifth metallization pads can be used for thermal coupling with a heat dissipation element.

Wie im vorigen Kapitel erwähnt, sorgt das Loch 120 im dielektrischen Substrat 100 zwischen dem ersten und dem zweiten Metallisierungspad 111 und 112 für die Reduzierung des parasitären Wärmeflusses über das dielektrische Substrat 100. Die Leistung eines thermoelektrischen Elements, das nur eine thermoelektrische Schicht verwendet, kann auf die gleiche Weise verbessert werden. Ein solches Element kann das in 1 oder 2 dargestellte Element sein, bei dem die zweite thermoelektrische Schicht 102 nicht vorhanden ist. Das Fehlen der zweiten thermoelektrischen Schicht macht die jeweiligen Metallisierungspads 113 und 114 überflüssig, die in direktem Kontakt mit dieser Schicht stehen. Ein Querschnitt eines solchen thermoelektrischen Elements ist in 25 dargestellt. Es umfasst das dielektrische Substrat 100 mit den ersten und zweiten Metallisierungspads 111 und 112 auf seiner ersten Seite. Das Substrat weist zwischen dem ersten und dem zweiten Metallisierungspad das Loch 120 auf. Das thermoelektrische Element umfasst lediglich eine thermoelektrische Schicht 101. Die thermoelektrische Schicht 101 bedeckt das Loch 120 und steht in direktem Kontakt mit den ersten 111 und den zweiten 112 Metallisierungspads. Das thermoelektrische Element kann das optionale fünfte Metallisierungspad 115 auf seiner zweiten Seite umfassen. Das fünfte Metallisierungspad ist über die Metall-Durchkontaktierung 117 thermisch und elektrisch mit dem ersten Metallisierungspad verbunden. Das thermoelektrische Element kann auf seiner zweiten Seite das optionale sechste Metallisierungspad 116 umfassen. Das sechste Metallisierungspad ist über die Metall-Durchkontaktierung 118 thermisch und elektrisch mit dem zweiten Metallisierungspad verbunden. Die Formen und/oder Anordnungen der Elemente 100, 101, 111, 112, 115, 116, 117 und 118 können dieselben sein, wie im vorigen Kapitel beschrieben. Das dielektrische Substrat 100 kann an seiner zweiten Seite anstelle eines Lochs eine Aussparung 120c aufweisen (26). Die Aussparung befindet sich unterhalb eines Teils der thermoelektrischen Schicht zwischen dem ersten und dem zweiten Metallisierungspad. Die Aussparung sorgt dabei für den gleichen technischen Effekt wie das Loch, d.h. sie mindert den parasitären Wärmefluss über das dielektrische Substrat. Im Gegensatz zum Loch 120 kann sich die Aussparung 120c über die gesamte Breite W1 (1 und 2) des dielektrischen Substrats erstrecken.As mentioned in the previous chapter, the hole 120 in the dielectric substrate 100 between the first and second metallization pads 111 and 112 provides for the reduction of parasitic heat flow across the dielectric substrate 100. The performance of a thermoelectric element using only a thermoelectric layer can be improved in the same way. Such an element can be in 1 or 2 be the element shown in which the second thermoelectric layer 102 is not present. The absence of the second thermoelectric layer obviates the need for the respective metallization pads 113 and 114 which are in direct contact with this layer. A cross section of such a thermoelectric element is shown in 25 shown. It comprises the dielectric substrate 100 with the first and second metallization pads 111 and 112 on its first side. The substrate has the hole 120 between the first and the second metallization pad. The thermoelectric element comprises only a thermoelectric layer 101. The thermoelectric layer 101 covers the hole 120 and is in direct contact with the first 111 and the second 112 metallization pads. The thermoelectric element may include the optional fifth metallization pad 115 on its second side. The fifth metallization pad is thermally and electrically connected to the first metallization pad via the metal via 117 . The thermoelectric element can include the optional sixth metallization pad 116 on its second side. The sixth metallization pad is thermally and electrically connected to the second metallization pad via metal via 118 . The shapes and/or arrangements of the elements 100, 101, 111, 112, 115, 116, 117 and 118 can be the same as described in the previous chapter. The dielectric substrate 100 may have a recess 120c on its second side instead of a hole ( 26 ). The cutout is below a part the thermoelectric layer between the first and the second metallization pad. The gap provides the same technical effect as the hole, ie it reduces the parasitic heat flow across the dielectric substrate. In contrast to the hole 120, the recess 120c can extend over the entire width W1 ( 1 and 2 ) of the dielectric substrate.

Das erste Metallisierungspad 111 und/oder das fünfte Metallisierungspad 115 können zur thermischen Kopplung mit einer Wärmesenke vorgesehen werden. Das zweite Metallisierungspad 112 und/oder das sechste Metallisierungspad 116 können zur thermischen Kopplung mit einer Wärmequelle vorgesehen werden. Die von dem thermoelektrischen Element erzeugte Spannung kann von dem ersten 111 und dem zweiten 112 Metallisierungspad abgegriffen werden. Das fünfte Metallisierungspad kann anstelle des ersten Metallisierungspads oder zusätzlich zu diesem für die elektrische Verbindung verwendet werden. Das sechste Metallisierungspad kann anstelle des zweiten Metallisierungspads oder zusätzlich zu diesem für die elektrische Verbindung verwendet werden.The first metallization pad 111 and/or the fifth metallization pad 115 can be provided for thermal coupling to a heat sink. The second metallization pad 112 and/or the sixth metallization pad 116 can be provided for thermal coupling to a heat source. The voltage generated by the thermoelectric element can be tapped off from the first 111 and the second 112 metallization pad. The fifth metallization pad can be used instead of or in addition to the first metallization pad for the electrical connection. The sixth metallization pad can be used instead of or in addition to the second metallization pad for the electrical connection.

Für den Bau eines thermoelektrischen Generators werden zwei Typen dieses thermoelektrischen Elements benötigt. Das thermoelektrische Element des einen Typen umfasst lediglich die erste thermoelektrische Schicht mit einem Leitfähigkeitstypen, während das thermoelektrische Element des anderen Typen lediglich die zweite thermoelektrische Schicht mit einem anderen Leitfähigkeitstypen umfasst.Two types of this thermoelectric element are required to build a thermoelectric generator. The thermoelectric element of one type includes only the first thermoelectric layer having one conductivity type, while the thermoelectric element of the other type includes only the second thermoelectric layer having a different conductivity type.

Diese thermoelektrischen Elemente können in einem thermoelektrischen Generator elektrisch in Reihe geschaltet werden, so dass eine abwechselnde Reihenfolge der Leitfähigkeitstypen der thermoelektrischen Schichten gebildet wird, wobei die thermoelektrischen Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps in der Reihe abwechselnd angeordnet sind. Folglich ist eine von der Reihe der thermoelektrischen Elemente erzeugte Spannung eine Summe von Spannungen, die von den einzelnen thermoelektrischen Elementen erzeugt werden. Die elektrische Reihenschaltung der thermoelektrischen Elemente kann mit Hilfe der Metallisierungspads, die zur thermischen Kopplung mit einer Wärmesenke angeordnet sind, und der Metallisierungspads, die zur thermischen Kopplung mit einer Wärmequelle angeordnet sind, implementiert werden. Beispielsweise ist das erste Metallisierungspad eines thermoelektrischen Elements elektrisch mit einem ersten Metallisierungspad eines thermoelektrischen Elements verbunden, das sich unmittelbar vor dem besagten thermoelektrischen Element in Reihe befindet, und sein zweites Metallisierungspad ist elektrisch mit einem zweiten Metallisierungspad eines thermoelektrischen Elements verbunden, das sich unmittelbar nach dem besagten thermoelektrischen Element in Reihe befindet, wobei die ersten Metallisierungspads zur thermischen Kopplung mit einer Wärmequelle und die zweiten Metallisierungspads zur thermischen Kopplung mit einer Wärmesenke vorgesehen sind, wobei das thermoelektrische Element eine thermoelektrische Schicht mit einem Leitfähigkeitstypen umfasst und die benachbarten thermoelektrischen Elemente jeweils eine thermoelektrische Schicht mit einem anderen Leitfähigkeitstypen umfassen. Die elektrischen Verbindungen zwischen Paaren der ersten Metallisierungspads und Paaren der zweiten Metallisierungspads werden nur mit metallischen Leitern hergestellt. Eine durch den thermoelektrischen Generator im Betrieb erzeugte Spannung kann von einem ersten Metallisierungspad eines ersten in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elements und einem zweiten Metallisierungspad eines thermoelektrischen Elements, das das letzte in Reihe ist, abgegriffen werden, wobei zweite Metallisierungspads des ersten in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elements und eines zweiten in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elements elektrisch miteinander verbunden sind, wobei erste Metallisierungspads eines vorletzten in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elements und des letzten in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elements elektrisch miteinander verbunden sind. Wie bereits erwähnt, können die fünften Metallisierungspads anstelle von oder zusätzlich zu den ersten Metallisierungspads für elektrische Verbindungen und/oder thermische Kopplung mit der Wärmequelle verwendet werden. Die sechsten Metallisierungspads können anstelle der zweiten Metallisierungspads oder zusätzlich zu diesen für die elektrischen Verbindungen und/oder die thermische Kopplung mit der Wärmesenke verwendet werden.These thermoelectric elements can be electrically connected in series in a thermoelectric generator to form an alternating order of the conductivity types of the thermoelectric layers, with the thermoelectric layers of different conductivity types being arranged alternately in the series. Consequently, a voltage generated by the series of thermoelectric elements is a sum of voltages generated by the individual thermoelectric elements. The electrical series connection of the thermoelectric elements can be implemented using the metallization pads arranged for thermal coupling with a heat sink and the metallization pads arranged for thermal coupling with a heat source. For example, the first thermoelectric element metallization pad is electrically connected to a first thermoelectric element metallization pad located immediately before said thermoelectric element in series, and its second metallization pad is electrically connected to a second thermoelectric element metallization pad located immediately after said thermoelectric element is in series, wherein the first metallization pads are for thermally coupling to a heat source and the second metallization pads are for thermally coupling to a heat sink, wherein the thermoelectric element comprises a thermoelectric layer with one conductivity type and the adjacent thermoelectric elements each comprise a thermoelectric layer with a different conductivity type. The electrical connections between pairs of the first metallization pads and pairs of the second metallization pads are made only with metallic conductors. A voltage generated by the thermoelectric generator during operation can be tapped from a first metallization pad of a first thermoelectric element connected in series and a second metallization pad of a thermoelectric element, which is the last in series, with second metallization pads of the first thermoelectric element connected in series and of a second series-connected thermoelectric element are electrically connected to one another, wherein first metallization pads of a penultimate series-connected thermoelectric element and the last series-connected thermoelectric element are electrically connected to one another. As already mentioned, the fifth metallization pads can be used instead of or in addition to the first metallization pads for electrical connections and/or thermal coupling with the heat source. The sixth metallization pads can be used instead of or in addition to the second metallization pads for the electrical connections and/or the thermal coupling with the heat sink.

Die elektrischen Verbindungen zwischen den thermoelektrischen Elementen, bei denen einzelne thermoelektrische Elemente verwendet werden, können mit Hilfe von Verbindungselementen, wie im vorherigen Kapitel beschrieben, implementiert werden. Paare der ersten Metallisierungspads (oder der fünften Metallisierungspads) können durch Metallisierungspads auf einem dielektrischen Substrat eines Zwischenverbindungselements in ähnlicher Weise elektrisch verbunden werden, wie das Zwischenverbindungselement 160 elektrische Verbindungen zwischen den Paaren der ersten und der dritten Metallisierungspads in 12 herstellt. Paare der zweiten Metallisierungspads (oder der sechsten Metallisierungspads) können durch Metallisierungspads auf einem dielektrischen Substrat eines anderen Verbindungselements in ähnlicher Weise elektrisch verbunden werden, wie das Verbindungselement 170 elektrische Verbindungen zwischen den Paaren der ersten und der dritten Metallisierungspads in 12 herstellt.The electrical connections between the thermoelectric elements, where single thermoelectric elements are used, can be implemented using connection elements as described in the previous chapter. Pairs of the first metallization pads (or the fifth metallization pads) may be electrically connected by metallization pads on a dielectric substrate of an interconnection element in a manner similar to the interconnection element 160 electrical connections between the pairs of first and third metallization pads in FIG 12 manufactures. Pairs of the second metallization pads (or the sixth metallization pads) may be electrically connected by metallization pads on a dielectric substrate of another interconnection element in a similar manner as interconnection element 170 provides electrical connections between pairs of the first and the third metallization pads in 12 manufactures.

Dieser thermoelektrische Generator wird hergestellt, indem die ersten Metallisierungspads (oder die fünften Metallisierungspads) benachbarter, in Reihe geschalteter thermoelektrischer Elemente elektrisch miteinander verbunden werden und die zweiten Metallisierungspads (oder die sechsten Metallisierungspads) benachbarter, in Reihe geschalteter thermoelektrischer Elemente elektrisch miteinander verbunden werden, so dass eine Reihenfolge von thermoelektrischen Schichten mit wechselnder Leitfähigkeitstypen entsteht. Die elektrischen Verbindungen werden mit Hilfe des Lötprozesses oder des Hartlötprozesses wie oben beschrieben hergestellt.This thermoelectric generator is fabricated by electrically connecting together the first metallization pads (or the fifth metallization pads) of adjacent thermoelectric elements connected in series, and electrically connecting the second metallization pads (or the sixth metallization pads) of adjacent thermoelectric elements connected in series, so that a sequence of thermoelectric layers with changing conductivity types arises. The electrical connections are made using the soldering process or the brazing process as described above.

Die thermoelektrischen Elemente mit einzelnen thermoelektrischen Schichten und der thermoelektrische Generator, der diese thermoelektrischen Elemente verwendet, können als Kühler verwendet werden. In diesem Fall werden Metallisierungspads, die zum Abgreifen der erzeugten thermoelektrischen Spannung dienen, zum Anschluss einer Strom- oder Spannungsquelle verwendet.The thermoelectric elements having individual thermoelectric layers and the thermoelectric generator using these thermoelectric elements can be used as the cooler. In this case, metallization pads, which are used to tap the generated thermoelectric voltage, are used to connect a current or voltage source.

zeigt einen ersten Schritt eines Herstellungsverfahrens für ein thermoelektrisches Element mit einer einzigen thermoelektrischen Schicht. In diesem Schritt wird das dielektrische Substrat 100 mit den ersten und zweiten Metallisierungspads 111 und 112 auf seiner ersten Seite bereitgestellt. Das dielektrische Substrat 100 kann optional auf seiner zweiten Seite eine Aussparung 120c aufweisen. Die Aussparung 120c befindet sich unterhalb des Spalts, der das erste und das zweite Metallisierungspad 111 und 112 trennt. Das fünfte Metallisierungspad 115 kann als Option auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrats angeordnet werden. Das fünfte Metallisierungspad ist thermisch und elektrisch mit dem ersten Metallisierungspad 111 gekoppelt, z. B. über die Metalldurchkontaktierung 117. Das sechste Metallisierungspad 116 kann optional auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrats angeordnet werden. Das sechste Metallisierungspad ist thermisch und elektrisch mit dem zweiten Metallisierungspad 112 gekoppelt, z. B. über die Metalldurchkontaktierung 118. shows a first step of a manufacturing method for a thermoelectric element with a single thermoelectric layer. In this step, the dielectric substrate 100 is provided with the first and second metallization pads 111 and 112 on its first side. The dielectric substrate 100 can optionally have a recess 120c on its second side. The recess 120c is located below the gap separating the first and second metallization pads 111 and 112. FIG. The fifth metallization pad 115 can optionally be placed on the second side of the dielectric substrate. The fifth metallization pad is thermally and electrically coupled to the first metallization pad 111, e.g. via the metal via 117. The sixth metallization pad 116 can optionally be arranged on the second side of the dielectric substrate. The sixth metallization pad is thermally and electrically coupled to the second metallization pad 112, e.g. B. via the metal via 118.

Im nächsten Schritt wird eine thermoelektrische Schicht 111 auf der ersten Seite des dielektrischen Substrats ausgebildet. Das Ausbilden der thermoelektrischen Schicht kann nicht nur das Abscheiden eines Materials der thermoelektrischen Schicht, sondern auch deren Tempern und/oder Strukturieren umfassen, wie es im Verfahrensschritt des Ausbildens der ersten thermoelektrischen Schicht im vorherigen Kapitel (19) beschrieben wurde. Ein beispielhaftes Ergebnis dieses Prozessschrittes ist in 26 dargestellt, wobei das dielektrische Substrat 100 zunächst die Aussparung 120c aufweist und die thermoelektrische Schicht nicht strukturiert ist. Die Aussparung 120c kann nach der Ausbildung der thermoelektrischen Schicht 111 weiter vertieft werden. Das Loch 120 wird gebildet, wenn die Aussparung 120c bis zu einem Boden der thermoelektrischen Schicht vertieft wird. Das in diesem Fall erhaltene thermoelektrische Element ist in 25 dargestellt. Falls die Vertiefung 120c vor der Ausbildung der thermoelektrischen Schicht nicht vorhanden war, kann sie nachträglich hergestellt werden. Das in diesem Fall erhaltene thermoelektrische Element ist in 26 dargestellt. Als weitere Option kann das gesamte Loch 120 nach der Bildung der thermoelektrischen Schicht 101 hergestellt werden, wenn die Aussparung 120c vor der Bildung der thermoelektrischen Schicht nicht vorhanden war. Das in diesem Fall erhaltene thermoelektrische Element ist in 25 dargestellt. Die Strukturierung des dielektrischen Substrats 100 kann durch Laserablation erfolgen, wie im vorherigen Kapitel beschrieben.In the next step, a thermoelectric layer 111 is formed on the first side of the dielectric substrate. Forming the thermoelectric layer can include not only depositing a material of the thermoelectric layer, but also tempering and/or structuring it, as described in the method step of forming the first thermoelectric layer in the previous chapter ( 19 ) has been described. An example result of this process step is in 26 shown, wherein the dielectric substrate 100 initially has the recess 120c and the thermoelectric layer is not structured. The recess 120c may be further deepened after the thermoelectric layer 111 is formed. The hole 120 is formed when the recess 120c is deepened to a bottom of the thermoelectric layer. The thermoelectric element obtained in this case is in 25 shown. If the recess 120c was not present before the formation of the thermoelectric layer, it can be formed later. The thermoelectric element obtained in this case is in 26 shown. As another option, the entire hole 120 can be made after the formation of the thermoelectric layer 101 if the recess 120c was not present before the formation of the thermoelectric layer. The thermoelectric element obtained in this case is in 25 shown. The dielectric substrate 100 can be structured by laser ablation, as described in the previous chapter.

Der thermoelektrische Generator, der unter Einsatz der thermoelektrischen Elemente mit einzelnen thermoelektrischen Schichten aufgebaut ist, kann als Peltier-Kühler verwendet werden. Die ersten und zweiten Metallisierungspads, die für den Abgriff der erzeugten elektrischen Leistung verwendet werden, dienen in diesem Fall als Anschlüsse für das Schicken von Strom über die thermoelektrischen Schichten.The thermoelectric generator constructed using the thermoelectric elements having individual thermoelectric layers can be used as a Peltier cooler. In this case, the first and second metallization pads, which are used to tap off the electrical power generated, serve as connections for sending current via the thermoelectric layers.

Claims (10)

Thermoelektrisches Element (10; 20), umfassend: ein dielektrisches Substrat (100) mit einem Loch (120), wobei das Loch eine erste Öffnung auf einer ersten Seite des dielektrischen Substrats und eine zweite Öffnung auf einer zweiten Seite des dielektrischen Substrats aufweist; ein erstes Metallisierungspad (111) und ein zweites Metallisierungspad (112) auf der ersten Seite, wobei die erste Öffnung zwischen dem ersten Metallisierungspad und dem zweiten Metallisierungspad liegt; ein drittes Metallisierungspad (113) und ein viertes Metallisierungspad (114) auf der zweiten Seite, wobei die zweite Öffnung zwischen dem dritten Metallisierungspad und dem vierten Metallisierungspad liegt; eine erste thermoelektrische Schicht (101), die in direktem Kontakt mit dem ersten Metallisierungspad und dem zweiten Metallisierungspad steht; eine zweite thermoelektrische Schicht (102), die in direktem Kontakt mit dem dritten Metallisierungspad und dem vierten Metallisierungspad steht, wobei die erste thermoelektrische Schicht und die zweite thermoelektrische Schicht unterschiedliche Leitfähigkeitstypen aufweisen, miteinander über das Loch in Kontakt stehen und dadurch einen p-n-Übergang bilden.A thermoelectric element (10; 20) comprising: a dielectric substrate (100) having a hole (120), the hole having a first opening on a first side of the dielectric substrate and a second opening on a second side of the dielectric substrate; a first metallization pad (111) and a second metallization pad (112) on the first side, the first opening being between the first metallization pad and the second metallization pad; a third metallization pad (113) and a fourth metallization pad (114) on the second side, the second opening being between the third metallization pad and the fourth metallization pad; a first thermoelectric layer (101) in direct contact with the first metallization pad and the second metallization pad; a second thermoelectric layer (102) in direct contact with the third metallization pad and the fourth metallization pad, the first thermoelectric layer and the second thermoelectric layer having different conductivity types, with each other through the hole in are in contact and thereby form a pn junction. Thermoelektrisches Element nach Anspruch 1, umfassend ein fünftes (115) Metallisierungspad auf der zweiten Seite, wobei das fünfte Metallisierungspad thermisch und elektrisch mit dem ersten Metallisierungspad (111) oder dem zweiten Metallisierungspad (112) gekoppelt ist.thermoelectric element claim 1 comprising a fifth (115) metallization pad on the second side, wherein the fifth metallization pad is thermally and electrically coupled to the first metallization pad (111) or the second metallization pad (112). Thermoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Metallisierungspad (111) eine erste Seitenwand aufweist, die einer zweiten Seitenwand des zweiten Metallisierungspads (112) gegenüberliegt, wobei die erste Seitenwand und die zweite Seitenwand durch die erste Öffnung getrennt sind, wobei die erste Seitenwand und/oder die zweite Seitenwand abgeschrägt sind und/oder wobei eine Kontur der ersten Seitenwand auf der ersten Seite und/oder eine Kontur der zweiten Seitenwand auf der ersten Seite von der ersten Öffnung beabstandet sind.thermoelectric element claim 1 or 2 , wherein the first metallization pad (111) has a first sidewall opposite a second sidewall of the second metallization pad (112), the first sidewall and the second sidewall being separated by the first opening, the first sidewall and/or the second sidewall are beveled and/or wherein a contour of the first side wall on the first side and/or a contour of the second side wall on the first side are spaced from the first opening. Thermoelektrisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich das Loch (120) von der Grenzfläche (110) zwischen der ersten thermoelektrischen Schicht (101) und der zweiten thermoelektrischen Schicht (102) mit zunehmendem Abstand von der Grenzfläche nach außen erweitert.A thermoelectric element according to any one of the preceding claims, wherein the hole (120) widens outwardly from the interface (110) between the first thermoelectric layer (101) and the second thermoelectric layer (102) with increasing distance from the interface. Thermoelektrisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Metallisierungspad (111) und das dritte Metallisierungspad (113) zur thermischen Kopplung mit einer Wärmesenke angeordnet sind, wobei das zweite Metallisierungspad (112) und das vierte Metallisierungspad (114) zur thermischen Kopplung mit einer Wärmequelle angeordnet sind, wobei eine von dem thermoelektrischen Element erzeugte Spannung, wenn dieses in Betrieb ist, von dem ersten Metallisierungspad und dem dritten Metallisierungspad abgegriffen wird.Thermoelectric element according to one of the preceding claims, wherein the first metallization pad (111) and the third metallization pad (113) are arranged for thermal coupling with a heat sink, wherein the second metallization pad (112) and the fourth metallization pad (114) for thermal coupling with a Heat source are arranged, wherein a voltage generated by the thermoelectric element, when this is in operation, is tapped from the first metallization pad and the third metallization pad. Thermoelektrisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Loch (120) ein Schlitz mit einer der folgenden Formen ist: ein rechteckiger Schlitz (120a), ein mäanderförmiger Schlitz (120b), ein sägezahnförmiger Schlitz (120c), oder ein wellenförmiger Schlitz (120d); und/oder wobei ein Material der ersten thermoelektrischen Schicht (101) eine geringere thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit aufweist als ein Material der zweiten thermoelektrischen Schicht (102) wobei die Grenzfläche (110) zwischen der ersten thermoelektrischen Schicht und der zweiten thermoelektrischen Schicht näher an der ersten Seite als an der zweiten Seite des dielektrischen Substrats angeordnet ist und/oder die erste thermoelektrische Schicht dicker ist als die zweite thermoelektrische Schicht.A thermoelectric element according to any one of the preceding claims, wherein the hole (120) is a slit having one of the following shapes: a rectangular slit (120a), a meandering slit (120b), a sawtooth-shaped slit (120c), or a wavy slit (120d ); and/or wherein a material of the first thermoelectric layer (101) has a lower thermal and/or electrical conductivity than a material of the second thermoelectric layer (102), the interface (110) between the first thermoelectric layer and the second thermoelectric layer being closer to the first side than the second side of the dielectric substrate and/or the first thermoelectric layer is thicker than the second thermoelectric layer. Thermoelektrischer Generator (130; 230), der thermoelektrische Elemente nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst, wobei die ersten Metallisierungspads (111) und die dritten Metallisierungspads (113) elektrisch in Reihe geschaltet sind, so dass eine abwechselnde Reihenfolge der ersten und der zweiten thermoelektrischen Schichten (101; 102) gebildet wird.A thermoelectric generator (130; 230) comprising thermoelectric elements according to any one of the preceding claims, wherein the first metallization pads (111) and the third metallization pads (113) are electrically connected in series such that an alternating order of the first and second thermoelectric layers (101; 102) is formed. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Elements (10; 20), wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden einer ersten thermoelektrischen Schicht (101) auf einer ersten Seite eines dielektrischen Substrats (100) mit einem ersten Metallisierungspad (111) und einem zweiten Metallisierungspad (112) auf seiner ersten Seite, wobei das erste Metallisierungspad und das zweite Metallisierungspad durch einen Spalt getrennt sind, wobei die erste thermoelektrische Schicht in dem Spalt auf der ersten Seite und in direktem Kontakt mit dem ersten Metallisierungspad und dem zweiten Metallisierungspad ausgebildet wird; Bilden eines Lochs (120) in dem dielektrischen Substrat mit einer ersten Öffnung zwischen einem dritten Metallisierungspad (113) und einem vierten Metallisierungspad (114) auf einer zweiten Seite des dielektrischen Substrats, wobei eine zweite Öffnung des Lochs von der ersten thermoelektrischen Schicht in dem Spalt bedeckt ist; und Ausbilden einer zweiten thermoelektrischen Schicht (102) auf der zweiten Seite des dielektrischen Substrats, wobei die zweite thermoelektrische Schicht in dem Loch so ausgebildet ist, dass sie die erste thermoelektrische Schicht direkt kontaktiert, wodurch ein p-n-Übergang gebildet wird, wobei die zweite thermoelektrische Schicht in direktem Kontakt mit dem dritten Metallisierungspad und dem vierten Metallisierungspad steht.A method of manufacturing a thermoelectric element (10; 20), the method comprising: forming a first thermoelectric layer (101) on a first side of a dielectric substrate (100) having a first metallization pad (111) and a second metallization pad (112) on its first side, the first metallization pad and the second metallization pad being separated by a gap wherein the first thermoelectric layer is formed in the gap on the first side and in direct contact with the first metallization pad and the second metallization pad; forming a hole (120) in the dielectric substrate with a first opening between a third metallization pad (113) and a fourth metallization pad (114) on a second side of the dielectric substrate, a second opening of the hole being separated from the first thermoelectric layer in the gap is covered; and forming a second thermoelectric layer (102) on the second side of the dielectric substrate, the second thermoelectric layer being formed in the hole so that it directly contacts the first thermoelectric layer, thereby forming a p-n junction, the second thermoelectric layer is in direct contact with the third metallization pad and the fourth metallization pad. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend ein Ausbilden einer Aussparung (120b) in dem dielektrischen Substrat (100) in dem Spalt vor dem Ausbilden der ersten thermoelektrischen Schicht (101)procedure after claim 8 , comprising forming a recess (120b) in the dielectric substrate (100) in the gap before forming the first thermoelectric layer (101) Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators (130; 230), wobei das Verfahren ein elektrisches Verbinden der ersten Metallisierungspads (111) und der dritten Metallisierungspads (113) der thermoelektrischen Elemente nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst, so dass eine abwechselnde Reihenfolge der ersten und der zweiten thermoelektrischen Schichten (101; 102) gebildet wird.Method for producing a thermoelectric generator (130; 230), the method comprising electrically connecting the first metallization pads (111) and the third metallization pads (113) of the thermoelectric elements according to one of Claims 1 until 6 comprises, so that an alternating order of the first and the second thermoelectric layers (101; 102) is formed.
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